电器学 第二章 电接触与电弧理论(第7-11节)课堂笔记及练习题

电器学 第二章 电接触与电弧理论（第7-11节）课堂笔记及练习题主 题： 第二章 电接触与电弧理论（第7-11节）学习时间： 2016年11月14日--11月20日内 容：一、本周知识点及重难点分布表7-1 本周知识点要求掌握程度一览表二、知识点详解☆【知识点1】触头的接触电阻两个导体接触时产生的附加电阻即为接触电阻。

导体在接触时，是由一些小点接触的，在这些点的电流要收缩，称之为收缩效应，并且会形成与接触压力反向的电动斥力。

束流现象引起的电阻增量称为束流电阻。

导体的接触面暴露在大气中会导致表面膜层产生。

它包含尘埃膜、化学吸附膜、无机膜和有机膜。

触头表面由于尘埃膜、化学吸附膜、无机膜和有机膜等原因，使得电子无法穿过这层来导电，但是由于电子本身存在波粒二相性，可以以波的形式来穿透这层膜而导电。

这种现象称为隧道效应。

因此，膜层导致的电阻增量称为膜层电阻。

可见，接触电阻的实质是收缩电阻和膜电阻。

接触电阻的经验计算公式：c (0.102)j mj K R F 其中：c K --与触头材料、接触面加工情况以及表面情况有关的系数；j F --接触压力；m --与接触形式有关的指数（点接触0.5m =，线接触0.50.7m =，面接触 1.0m =）影响接触电阻的因素有很多，接触形式、接触压力、表面状况、材料性质等都会影响接触电阻的大小。

【知识点2】闭合状态下的触头接触电阻：两个导体接触时的附加电阻。

1、触头的发热触点对周围介质的温升为：()()j T j j jm A pK R I R I τλλρτ++=2/8/2222 式中：p A 、---触头本体的截面积及其周长；T K ---综合散热系数；j τ---温升()pA K I T j /2ρτ=。

2、接触电阻与接触电压降由于存在软化点和熔化点，所以趋势见图7-1。

图7-1 触头的i i U R -特性接触电阻随时间有一定的变化。

与薄膜的形成有关。

图7-2 接触电阻随时间的变化3、触头间的电动斥力2120ln π4d r r i F F y y ⎰==μ 式中：21r r 、---导体粗处和细处的半径；21A A 、---导体粗处和细处的截面积。

图7-3 触头间的电动力【知识点3】触头接通过程及其熔焊1、接通过程中的机械振动触头的接通过程常伴随着机械振动，并因之在间隙内产生电弧。

接通时动触头以一定速度朝静触头运动，它们接触时发生机械碰撞。

动触头被弹开，然后再朝静触头运动，多次重复发生碰撞。

由于每碰撞一次都要损失部分能量，故振动幅度将逐渐减小。

图7-4 触头接通时的机械振动除触头本身的碰撞外，电磁机构中衔铁与铁心接触时的碰击以及短路电流通过触头时产生的巨大电动斥力，均可能引起触头振动。

适当减小动触头的质量和运动速度、增大触头初压力，可以减轻振动。

然而，完全消除触头接通时的振动是不可能的，只要使振动不致令动静触头在碰撞时分离，振动也就无害了。

（a）接通过程（b）反弹过程1--静触头 2--动触头图7-5 触头的机械振动过程2、触头的熔焊动静触头因被加热而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊。

它有动熔焊和静熔焊之分。

前者是连接触头或闭合状态下的转换触头于通过大电流时、因热效应和正压力的作用使a斑点及其邻域内的金属熔化并焊为一体的现象。

后者是转换触头在接通过程中因电弧的高温作用使接触区局部熔化发生熔焊的现象。

3、触头的冷焊继电器所用贵金属触头当接触面上的氧化膜被破坏、因而纯金属接触面扩大时，因金属受压力作用致使连接处的原子或分子结合在一起的现象称为冷焊。

【知识点4】触头分断过程与其电侵蚀电侵蚀的类型：桥蚀（阴极遭受侵蚀）和弧蚀（阳极侵蚀）触头分断过程历时较长，在此期间由于金属在触头间的转移和液态金属的溅射以及金属蒸气的扩散，将使触电材料有明显的损失，使触头和整个电器的使用期限都缩短了。

触头材料在工作过程中的损失称为侵蚀，按产生原因区分有机械的、化学的和电的三种。

电侵蚀是触头通断过程中因电火花和电弧而产生的，它是触头损坏的主要原因。

触头断开前的瞬间，是接触压力和接触点数量逐渐减小，以及接触面积缩小的过程。

这一过程使接触点的电流密度急剧增加，甚至可以达到每平方厘米几千安。

触头接触压降增大到相当于熔化电压降，由此产生的焦耳热而促使接触点处的金属熔化，形成所谓金属液体滴。

触头断开过程继续进行着，将金属液体滴拉长，形成液桥。

当动静触头间隔到一定程度时，金属桥就断裂。

由于其温度最高点偏于阳极一面，故断裂发生在近阳极处。

这就使阳极表面因金属向阴极转移而出现凹陷，阴极表面出现针状凸起物，结果阳极遭到电蚀。

液态金属桥断裂以致材料自一极向另一极转移的现象称为桥蚀或桥转移。

液态金属桥断裂并形成触头间隙后，若触头工作电流不大，间隙内将发生火花放电。

火花放电时是阴极向阳极发射电子，故有部分触头金属材料自阴极转移到阳极，即阴极遭受电蚀。

若液态金属桥断裂时触头工作电流较大，就会产生电弧。

电弧弧柱为等离子体，其中正离子聚集于阴极附近成为密集的正空间电荷层，使此处出现很强的电场。

质量较大的正离子为电场加速后轰击阴极表面，使之凹陷，而相应的阳极表面出现凸起物，即阴极材料转移到了阳极，形成阴极电蚀。

与此同时，在电弧高温作用下阴极和阳极表面的金属均将局部熔化和蒸发，并在电场力的作用下溅射和扩散到周围空间，使材料遭受净侵蚀。

不论花火放电抑或电弧放电，均使触头材料逐渐耗损，这就是弧蚀。

小电流下的触头电侵蚀主要表现为桥蚀和火花放电性质的弧蚀。

大电流时，触头材料的电侵蚀主要表现为弧蚀。

电侵蚀直接影响到触头的使用期限，为保证触头在其规定使用期限内能正常运行，必须设有能够补偿其电侵蚀的超程。

电器触头的超程值主要取决于其允许的最大侵蚀量。

铜质触头常取超程值为一个触头的厚度。

有银或银合金触点的触头则取超程值为两触头总厚度的75%左右。

当然，超程值的选取最终还要视具体运行或实验情况而定。

【知识点5】触头材料一般，触头材料应具有如下特点：具有低的电阻率和电阻温度系数;具有高的最小燃弧电压和最小燃弧电流;具有高的热导率、比热容、以及高的熔点和沸点;具有高的抗氧化和抗化学腐蚀能力;具有适当的硬度和良好的工节性能。

因此，触头一般有纯金属、合金和粉末合金三类。

一般认为纯金属和固溶体合金适合用于中、小负荷电器，大负荷电器主要采用复合材料（粉末冶金触头）制成触头。

1、纯金属材料：银、铜、铝、钨、石墨等——导电率好，易氧化，较软。

（1）银（Ag）：在纯金属中，银的导电和导热性能都是最好的。

但是银的价格较高，限制了它的使用范围。

人们不可能用它做固定接触零件。

有时为了改善固定接触的性能，常常在铜、钢等接触零件上镀银，以保持接触电阻的稳定。

（2）铜（Cu）：铜具有良好的导电和导热性能，仅次于银。

和银比较有较大的硬度和强度，熔点也高，价格低廉，加工容易。

由于它有这些优点，许多大电流电器用它做触头材料。

（3）铝（Al）：铝也有良好的导电和导热性能，在纯金属中仅次于银、铜和金，质轻而具有一定的机械强度，价格便宜。

它最大的缺点是在大气中金属表面会很快形成一层氧化膜，导电性差，也不容易破坏；在空气中服饰速度快，所以主要用于固定接触。

为了节省铜材，我国提倡以铝代铜。

此外，还有金、铂、钯和钨等纯金属。

2、合金材料：铜钨合金、铜铬合金、银基合金、铜石墨合金等——硬度高、有一定的导电率，不易腐蚀。

（1）银合金：银常与金和钯组成合金。

银合金耐大气腐蚀性能好；当含金的比例少于50%时在金属表面能生成硫化膜；这种合金的可塑性好，易于加工。

（2）金合金：金镍合金在很早以前就做为触头材料使用，一般用于弱电线路。

含镍成分的增加使硬度很快提高，当合金含镍5%可以使硬度提高到2dgf mm，但是，电阻率也增加了许多。

这种合金有抗熔焊和金属桥转移的100/性能，在电弧作用下金属表面易氧化，其缺点是使接触电阻增加，优点是防止纯金的冷焊现象。

（3）铜钨合金：其含铜量在20%-80%。

由于钨的熔点高，故此合金有非常高的耐弧、耐侵蚀及抗熔焊能力。

但因电阻率高，需要高接触压力，故主要用于高压及大电流断路器。

此外，还有铜铬合金、银基合金、铜石墨合金等。

3、金属陶瓷（粉末冶金材料）：也称金属陶瓷材料。

包括导电相和难熔相。

银氧化镉粉末合金;银氧化锡铟粉末合金;银镍粉末合金等。

为了满足对触头材料提出的各种复杂的、甚至是互相矛盾的要求，最近几十年广泛采用各种金属陶瓷材料制成电器触头。

金属陶瓷材料是两相金属的机械混合物，每相金属各自保存了它们原来具有的物理性能。

这两相金属中有一相金属是作为耐熔相，它的熔点和硬度高，要求在电弧高温作用下不易熔化，在高温和冲击力作用下触头形状不会产生变形，因此这相金属在触头材料中起骨架作用，可以起这种作用的金属有钨、钼、镍和其他金属氧化物。

另一相金属称为载流相，它主要起导电和热的传导作用，即起负载电流的作用。

但是，具有这样性质的金属的熔点都较低，在电弧高温作用下熔化成液体。

起骨架作用的金属中形成许多小孔，具有毛细管作用，使液化的金属保存在毛细孔内，使触头的电磨损下降，提高了触头的电寿命。

4、真空开关电器触头材料：铜铋银合金、铜铋铈合金等。

真空开关触头是一种特殊的强电用触头。

除满足对一般触头材料的要求外，还要求用于真空中的触头表面特别洁净，比在空气中更容易熔焊，故要求具有更高的抗熔焊性能。

在高压真空断路器中，触头间的开距小，电压梯度大，容易引起电击穿。

故要求触头材料具有坚固而致密的组织，在强电场作用下，仍能保持光滑完整的表面。

真空中触头的灭弧能力较强，在分断小电流时，易引起过早灭弧，故要求触头材料具有足够小的截止电流。

这种触头材料的含气量必须很小，以保证在电弧作用下，从材料中释放出来的极微量气体不影响灭弧室中的真空度。

三、重要理论1、触头的接触电阻（知识点1）两个导体接触时产生的附加电阻即为接触电阻。

接触电阻的实质是收缩电阻和膜电阻。

接触电阻的经验计算公式：c (0.102)j mj K R F = 其中：c K --与触头材料、接触面加工情况以及表面情况有关的系数；j F --接触压力；m --与接触形式有关的指数（点接触0.5m =，线接触0.50.7m =，面接触 1.0m =）影响接触电阻的因素有很多，接触形式、接触压力、表面状况、材料性质等都会影响接触电阻的大小。

2、接通过程中的机械振动（知识点3）适当减小动触头的质量和运动速度、增大触头初压力，可以减轻振动。

然而，完全消除触头接通时的振动是不可能的，只要使振动不致令动静触头在碰撞时分离，振动也就无害了。

3、触头的熔焊（知识点3）动静触头因被加热而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊。

它有动熔焊和静熔焊之分。

4、触头的冷焊（知识点3）继电器所用贵金属触头当接触面上的氧化膜被破坏、因而纯金属接触面扩大时，因金属受压力作用致使连接处的原子或分子结合在一起的现象称为冷焊。