电接触

弹性变形
• 球面与球面接触 • 球面与平面接触 • 弹性变形下接触面的半径 与接触压力的立方根成正 比 • 球面与球面接触时的收缩 电阻 • 球面与平面接触时的收缩 电阻
α = 0.913 Fr E
α = 1.113 Fr E
ρ
1.82
R=
3
E Fr
R=
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ρ
2.22
3
E Fr
塑性变形
• 当接触点的压强超过材料屈服强度就会出现塑性变形。压 强很大，接触面的极大部分是塑性变形时，接触点的平均 压强才可视为常数，这个平均压强称为触头材料的接触硬 度。接触硬度与布氏硬度HB不同。布氏硬度HB是在一定 压力一定的测量方法下，根据受压点塑性变形的程度来确 定的；而接触硬度H与接触压力F、接触面的半径α之间的 关系可用下式表示：
（2）电接触的分类
固定接触
滑动及滚动接触
可分合接触
1——动接触元件；2——静接触元件
• 上述三种接触型式中，它们共有的工作状态是接触元件闭 合接通电流。运行经验表明，当两导体相互接触流过电流 时，接触处会出现局部高温，严重时可达接触导体材料的 熔点。 • 在可分接触中，它的工作状态除闭合通电以外，还有由闭 合过渡到分离，最后切断电路，或由分离过渡到闭合，最 后接通电路，以及处于开断状态等。触头在切断或闭合电 路的过程中，触头间往往会出现电弧。电弧的温度很高， 大大超过一般金属材料的熔点或沸点。即使电弧存在的时 间很短，也会使触头表面熔化和气化，造成触头材料的损 失，或者产生触头的熔焊。因此，在以上三种电接触类型 中，工作任务最重的是可分接触。
Rk =
ρ
∑ 2α
i =1
n
ρ = 2nα p
i
• 在一定的接触压力下，触头材料的变形与 触头材料的特性、接触表面的曲率半径以 及表面的粗糙程度有关。即使经过精密加 工的表面也会有几个微米的凹凸不平，两 个接触面接触时总会有一个高点先接触， 继续压紧时又会有另外一些点接触，接触 点中有弹性变形也有塑性变形。
（2）接触形式
接触的形式很多，按触头外形的儿何形状不同，可分为点接触、线接 触和面接触三种接触的典型形式 (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，实际接触面是在 个小面积内的 若干个接触点。 (2)线接触：一个圆柱面与一个平面相接触，从几何学角度看，两面接触在 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。高压断路器使用的玫瑰式触头就用于线接触。 (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。
• 接触面一方的收缩电阻 • 接触点的收缩电阻为
R=ρ
ε0
C
=
ρ 4α
ρ Rk = 2 R = 2α
• 上式给出了重要的物理意义：收缩电阻的本质 就是金属电阻，其大小与接触元件材料的电阻率 成正比，与接触点接触半径（导电斑点的半径） 成反比。 • 一般情况下，接触内表面中，导电斑点有n个， 在电路上是并联的关系，总收缩电阻为
U RC = I
导体电阻
接触电阻
• 接触电阻的物理实质是什么？直到上世纪初，才由电接触 学科的奠基人霍尔姆(R．Holm)做了正确的解释。他指出： 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 (小面)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。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。电流线收缩，流 过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因 而电阻值相应增大。这个因电流线收缩而形成的附加电阻 称为收缩电阻，是构成接触电阻的一个分量。 • 其次，由于金属表面上有膜的存在，如果实际接触面之间 的薄膜能导电则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有 另一附加电阻，称膜电阻（表面电阻），它是构成接触电 阻的另一个分量。 • 总起来说，接触电阻一般地应包含三个部分： 一个接触元 件一边的收缩电阻，接触面间的表面电阻，另一接触元件 一边的收缩电阻，三者在电路上是串联的关系。
• 一般来说，面接触的接触点数n最大，收缩电阻最小；点接 触n最少，收缩电阻最大；线接触的n的收缩电阻介乎两者 之间。 • 对于强电流触头，接触形式对表面电阻的影响，主要表现在 每个接触点的受力上。当触头上外加压力一定时，由于面接 触的接触点n最多，每个接触点上的压强最小，表面电阻最 大；点接触n最少，表面电阻最小；线接触的表面电阻在两 者之间。 • 接触电阻是收缩电阻与表面电阻的总和，因此，接触形式对 接触电阻的影响就比较复杂。乍一看来，似乎面接触的接触 点最多，接触电阻应最小。其实不然，在接触压力较小时， 由于表面电阻的影响，面接触的接触电阻不一定比点或线接 触的接触电阻小。从实测数据可以发现，当接触压力很小时， 面接触的接触电阻反而更大。 • 固定接触的连接一般采用螺栓压紧，压力很大，可以采用面 接触，使接触电阻减少。可分接触的连接一般用弹簧压紧， 压力较小．考虑到装配检修的方便和工作可靠，多采用点接 触或线接触。近代高压断路器中，可分触头及滑动、滚动接 触连接又进一步使多个线接触或点接触并联使用，使接触电 阻减小．工作更加可靠，而且制造与检修也比较方便。
3.影响接触电阻的因素 3.影响接触电阻的因素
（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、材料的布氏硬度HB，材料的化学 性能以及金属化合物的机械强度与电阻率。 根据这四方 面的性质，常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能如下： (1)银 银的电阻率与硬度都小；银在低温下不易氧 化，高温下银的氧化物又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 铜的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。铜的优 点是硬度小，氧化膜的机械强度低。
RC = Rk + R f
电接触内表面的物理图景
收缩电阻
现假定： (1)接触内表面中，导电斑点的几何形状为圆形， 半径为α(故常称为导电斑点α)，且α为常数； (2)导电斑点α之间有足够大的分散距离，以致斑 点与斑点之间电流——电位场互不干扰； (3)两接触元件中，收缩区内的电流一电位场完全 对称，且材料的电阻率处处相等。 在以上假定条件下，可以取一个孤立的导电斑点 α ，建立物理模型，进行理论上的定量分析。
（3）对电接触的主要要求
不良的电接触，不仅会损坏开关设备本身，而 且使电力系统发生各种事故。为了保证电接触长时 间稳定而可靠地工作，对开关电器电接触在工作过 程中的主要要求是： 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。接触电 阻要求稳定。 2.电接触在短时通过短路电流时，接触处不发生熔 焊、松弛或触头材料的喷溅。 3.在开断过程中，触头材料损失（电磨损）应尽量 小。 4.在关合过程中，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。
电接触
1.电接触的分类和要求 1.电接触的分类和要求
任何一个电系统，都必须将电流(作为电的信号 或电的能量)从一个导体通过导体与导体的接触处传 向另一个导体，此导体与导体的接触处常常是电信 号或电能传送的主要障碍。由电机、电器、自动元 件、仪表、计算机等级成的现代化大型复杂电系统， 例如通信系统、控制系统、拖动系统、电力系统等， 它们所包含的电接触数目往往成千上万。如果其中 一个成几个工作不正常或失执则将导致整个系统工 作紊乱甚至停顿，其后果极其严重。
F = H πα 或α =
2
• 实际接触中总会有一部分弹性变形存在
F Hπ
F α= ζ Hπ
• 塑性变形下接触面的半径与接触压力的平方根成正比 ρ ζ Hπ ρ ζH Rk = = 2 F 1.13 F
表面电阻（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（膜电阻）Rf。 • 接触表面的覆盖物可能是金属的氧化物、硫化物 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。 对于高压开关电器来说，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。
(3)铝 铝的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、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，—般只用于低压电 器中的弱电流触头。 （5）钨铜和钨银复合材料 以高熔点金属钨与高导电金 属铜、银采用粉末治金的方法制成的钨钢和钨银复合材料具 有导电性能好，在电弧作用下烧报小的特点，是开关电器中 广泛使用的触头材料。钨钢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。常用的是含钨量为80％的钨铜复合材料。 钨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.接触电阻的理论和计算 2.接触电阻的理论和计算
• 电流通过两导体电接触处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。
一均匀导体通以电流 I，用电压表测量 导体上一段的电压降 U，则这一段的电 阻为
U R= I
将导体切断或对接起来形成电接触，导 体仍通以电流 I，用电压表测量导体上 同样长度一段的电压降 Uc， U 大得多， 比 电阻 Rc 也比 R 大得多