第六章电接触理论课件.ppt

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1、电器理论基础Fundamentals of Electrical Apparatus,电气与控制工程学院王智勇,2023/3/12,第六章电接触理论,2,第六章 电接触理论,本章教学目的与要求：,掌握接触电阻的理论和计算，熟悉各种电接触，了解电接触内表面的物理图景；掌握接触点最高温升的计算，了解触头闭合过程的振动；掌握触头间的电动斥力、熔焊与焊接力，熟悉触头材料，了解触头质量的转移与磨损；通过本章的学习，学生应掌握电器开关中接触电阻所涉及的因素，电器设计中接触点最高温升的计算，如何降低触头闭合过程中的振动。,2023/3/12,第六章电接触理论,3,第六章 电接触理论,本章教学重点与难点：,接

2、触电阻的理论和计算；接触点最高温升的计算；斑点的温度m和接触电阻Rj的大小。,本章教学基本内容：,概述电接触内表面的物理图景接触电阻的理论和计算-理论和接触电压触头闭合过程的振动分析触头间的电动斥力触头熔焊与焊接力触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,4,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,5,6-1 概述,电接触（Electrical Contact）

3、,电流从一个导体传向另一个导体，导体间的接触处称为电接触,电接触的类型,固定接触,滚动和滑动接触,可分、合接触,2023/3/12,第六章电接触理论,6,6-1 概述,电接触的类型,固定接触,滚动和滑动接触,可分、合接触,可分、合接触的工作条件最苛刻，对其要求也最高,闭合状态：局部发热,分断、关合：产生电弧、触头烧蚀、触头材料损失、熔焊,2023/3/12,第六章电接触理论,7,6-1 概述,对电接触的要求,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,短时通过短路电流或脉冲电流时，不发生熔焊或松弛,主要研究内容,接触电阻,温升,熔焊,触头材料损失,可分、合接触在开断

4、过程中，触头材料损失应尽量小,可分、合接触在闭合过程中，接触处不应发生不能断开的熔焊，且触头表面不应有严重的损伤或变形,2023/3/12,第六章电接触理论,8,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,9,6-2 电接触内表面的物理图景,电接触,宏观,平坦光滑,微观,凸凹不平,电接触的表面状况与材料、加工方法、工艺有关,2023/3/12,第六章电接触理论,10,6-2 电接触内

5、表面的物理图景,电接触的物理过程,视在接触面积（大）,实际接触面积（很小）,接触点压强（很大）,实际接触面积,接触点压强,氧化膜破裂,导电斑点,平衡,视在接触面积,实际接触面积,导电斑点面积,2023/3/12,第六章电接触理论,11,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,12,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,电接触处存在的附加电阻,产生接触电阻的原因,视在接触

6、面,导电斑点,导电膜,电流线收缩,电流路径,导电截面,膜电阻,收缩电阻,接触电阻,2023/3/12,第六章电接触理论,13,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,实质,一个接触元件的收缩电阻,由电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻,若实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时有另一附加电阻，称膜电阻,接触电阻一般包含三个部分,接触面间的膜电阻,另一个接触元件的收缩电阻,2023/3/12,第六章电接触理论,14,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,接触电阻一般包含三个部分,收缩电阻,对孤立导电斑点，总收缩电阻理论公式为,收缩电阻的物理意义：收缩电阻的本质就是金属电

7、阻，其大小与接触元件材料的电阻率成正比，与导电斑点的直径成反比,n个并联导电斑点的收缩电阻,导电斑点之间没有影响,接触元件材料的电阻率,导电斑点的半径,n个导电斑点半径的平均值,2023/3/12,第六章电接触理论,15,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,接触电阻一般包含三个部分,表面膜,清洁的金属表面吸附一层气体，其中的氧气或其他活泼气体常与反应生成表面膜,表面膜的类型,绝缘膜：厚10-8 10-9 m，如金属表面氧化膜，颜色灰暗，又称为暗膜,导电膜：厚度极薄、厚度为10-10 m，电子可借“隧道效应”透过薄膜而导电，又称为吸附膜,面电阻率：m2,2023/3/12,第六章电接

8、触理论,16,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,接触电阻一般包含三个部分,表面膜,金,表面无暗膜，只有吸附膜。这种膜极易隧道导电，在电子设备中大量使用,银,不易氧化，但大气中有臭氧存在时，氧化成Ag2O（易于清除，且在200时即分解），大量用于触头材料,铜,在空气中会由吸附膜发展为氧化暗膜,2023/3/12,第六章电接触理论,17,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,对于电接触，最关于的是膜的导电性和是否易于破坏,设电子透过势垒形成的电流密度为J，接触面之间的电压为U,膜的隧道电阻率（面电阻率）,膜电阻,n个并联导电斑点的膜电阻,绝缘膜的破坏,电的方法：击穿、熔解,

9、机械的方法：挤压、滚滑、碰撞,2023/3/12,第六章电接触理论,18,6-3 接触电阻的理论和计算,接触电阻（Rj）,单个导电斑点的接触电阻,n和ap与接触力F有关,n个并联导电斑点的接触电阻,经验公式,与接触形式有关,点接触,线接触,面接触,m增大,与材料的电阻率和硬度有关,2023/3/12,第六章电接触理论,19,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,20,6-4-理

10、论和接触电压,由于接触电阻的存在，电流通过时，接触处的温度最高,单位体积的发热功率：,电接触区域的散热,接触内表面气隙很小，对流的作用可忽略,空气的热导率很小，热传导可忽略,电接触处绝对温度不高，辐射可忽略,电流收缩区的热量只能通过两接触元件传导出去,关心的问题？,在一定的电流下，斑点的最高温度以及收缩区的温度分布,直流测量的难点,接触导电斑点尺寸非常小，且分布于接触内表面之中,-理论：给出了接触压降与接触点温度的关系,2023/3/12,第六章电接触理论,21,6-4-理论和接触电压,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,求解原理：导电（导热）薄层中

11、的能量平衡方程,2023/3/12,第六章电接触理论,22,6-4-理论和接触电压,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,求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程,m：导电斑点温度0：收缩区外导体温度 Uj:接触电压降：热导率（温度的函数）：电阻率（温度的函数）,测得0，j即可求得斑点温度m,2023/3/12,第六章电接触理论,23,6-4-理论和接触电压,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,求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程,m：导电斑点温度0：收缩区外导体温度 Uj:接触电压降：热导率（温度的

12、函数）：电阻率（温度的函数）,测得0，j即可求得斑点温度m,但、的平均值一般很难得到,可利用魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律,2023/3/12,第六章电接触理论,24,6-4-理论和接触电压,魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律,求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程,任何纯金属材料在理论上与温度T成线性关系,L:洛仑兹（Lorenz）系数，与金属材料的种类和温度都无关，理论值为,在Tm远大于0时：,接触电压是反映斑点温度的主要参量,2023/3/12,第六章电接触理论,25,6-4-理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,直流稳态电流下，改变I，保持

13、I不变，测量接触电压和电流，所得到的接触电阻Rj=Uj/I 与接触电压Uj之间的关系,清洁交叉铜棒接触的静特性,2023/3/12,第六章电接触理论,26,6-4-理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,ab,I,Uj,Ta,Rj,曲线上升,b点,软化点,铜的软化电压：0.12,对应的软化温度：180C,清洁交叉铜棒接触的静特性,软化点对应的接触电压称为接触材料的软化电压,2023/3/12,第六章电接触理论,27,6-4-理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,b点,软化点,bc,接触面积,很快扩大,Rj,显著减小,cd,I,Uj,Ta,Rj,曲线上升,清洁交叉铜棒接触的静特性,材料达到软化

14、点后一段温度范围内机械强度不再减小，接触斑点不再扩大,2023/3/12,第六章电接触理论,28,6-4-理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,cd,I,Uj,Ta,Rj,曲线上升,d点,熔点,铜的熔化电压：0.43,对应的熔化温度：1083C,清洁交叉铜棒接触的静特性,熔点对应的接触电压称为接触材料的熔化电压,2023/3/12,第六章电接触理论,29,6-4-理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,d点,熔点,de,斑点金属熔为一体,Rj显著减小,ef,斑点熔化,Rj减小,发热减小,热传导增强,温度降低、凝固,清洁交叉铜棒接触的静特性,2023/3/12,第六章电接触理论,30,6-4-

15、理论和接触电压,电接触的j-Uj静特性,d点,熔点,b点,软化点,实用意义,清洁交叉铜棒接触的静特性,若已知材料的软化电压和熔化电压，就可估计触头不发生熔焊的最大允许通过的电流,2023/3/12,第六章电接触理论,31,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,32,6-5 触头闭合过程的振动分析,触头在闭合过程中会产生弹跳（Bounce），称为触头的机械振动（Vibration

16、）,接触电阻周期性地增大，甚至分离产生电弧，使触头熔焊和烧损,触头振动的危害,动触头装有弹簧，静触头刚性联接,电器中触头结构的分类,静触头装有弹簧，动触头刚性联接,动、静触头都装有弹簧,2023/3/12,第六章电接触理论,33,6-5 触头闭合过程的振动分析,以第一类触头结构为例,弹簧的作用,施加触头压力,提高刚分速度,减小触头弹跳,2023/3/12,第六章电接触理论,34,6-5 触头闭合过程的振动分析,以第一类触头结构为例,达到最大反跳距离,动触头向下运动,达到最大变形,动触头开始反弹,碰撞瞬间,触头开始发生变形,弹性,塑性,可恢复,不可恢复,2023/3/12,第六章电接触理论,35

17、,6-5 触头闭合过程的振动分析,以第一类触头结构为例,动触头运动,碰撞（变形）,反跳,减小触头弹跳,弹簧压缩,弹簧压力,消耗能量,反跳力,2023/3/12,第六章电接触理论,36,6-5 触头闭合过程的振动分析,触头振动弹开距离与时间的关系,无危险振动：xm xd,关心的问题：缩短xm和tm,8点以后触头反跳距离小于触头的形变距离，虽有振动但不再分离,2023/3/12,第六章电接触理论,37,6-5 触头闭合过程的振动分析,最大反跳距离,碰撞前后能量守恒,动触头质量：m1反跳初速度：V20塑性变形消耗能量：WA假定碰撞是瞬时的触头弹簧预压长度：l0 弹簧刚度：弹簧预压力：F0=Cl0,：

18、触头材料的弹性系数,0：理想塑性,1：理想弹性,1-2：触头材料的恢复系数,2023/3/12,第六章电接触理论,38,6-5 触头闭合过程的振动分析,最大反跳距离,碰撞前,求解思路,根据动触头反跳过程中的能量守恒,动触头的初始动能,碰撞中,损失的能量,达到最大反跳时,弹簧获得的势能,2023/3/12,第六章电接触理论,39,6-5 触头闭合过程的振动分析,最大反跳距离,碰撞前,求解思路,根据动触头反跳过程中的能量守恒关系,动触头的初始动能,碰撞中,损失的能量,达到最大反跳时,弹簧获得的势能,结论：提高0、，减小1、m1，选用接近于的触头材料，即可实现触头的无危险振动,2023/3/12,第

19、六章电接触理论,40,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,41,6-6触头间的电动斥力,电流通过触头，电流线收缩，因而在触头间出现电动斥力,电动斥力是电流自身磁场作用下的电动力,2023/3/12,第六章电接触理论,42,6-6触头间的电动斥力,触头间电动斥力的计算,简化模型,垂直方向总电动力,电动力计算的一般公式,回路系数与截面系数的乘积：,2023/3/12,第六章电接触

20、理论,43,6-6触头间的电动斥力,触头间电动斥力的计算,垂直方向总电动力,导电斑点半径与接触压力的关系,每对触头所受电动斥力减小为只用一对触头时的1/n2,大功率电器中，为减小触头间电动斥力，常采用多触头并联结构,F：接触压力：0.31（与弹性变形及触头光滑程度有关）H：布氏硬度,：导体的横截面积,2023/3/12,第六章电接触理论,44,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理

21、论,45,6-7触头熔焊与焊接力,静熔焊,仅仅由接触电阻的发热使导电斑点及其附近的金属熔化而焊接,多发生于固定接触或触头很好地闭合时,动熔焊,仅仅由接触电阻的发热使导电斑点及其附近的金属熔化而焊接,多发生于固定接触或触头很好地闭合时,一般在短路电流或短时强脉冲电流通过时发生触头熔焊,2023/3/12,第六章电接触理论,46,6-7触头熔焊与焊接力,静熔焊,仅仅由接触电阻的发热使导电斑点及其附近的金属熔化而焊接,多发生于固定接触或触头很好地闭合时,动熔焊,除接触电阻的发热外，因触头振动或触头被电动力斥开产生电弧或预击穿电弧，引起的熔焊,多发生于触头闭合过程中或接触压力较小的闭合状态的触头中,一

22、般在短路电流或短时强脉冲电流通过时发生触头熔焊,2023/3/12,第六章电接触理论,47,6-7触头熔焊与焊接力,触头静熔焊和电流的关系,电流通过闭合的触头，I由零逐渐增大,触头内表面斑点刚刚开始熔化，称为开始熔化电流,导电斑点及附近金属有较大面积熔化，触头开始焊接，称为开始熔化电流,熔化区向纵深发展，使触头基底金属熔为一体,电流越大，焊接力越大,2023/3/12,第六章电接触理论,48,6-7触头熔焊与焊接力,触头静熔焊和电流的关系,开始熔化电流与电流通过触头的时间有关,当t很短时，Irh很大；t非常小时，Irh急剧变大,当t超过一定时间，Irh与t无关,斑点区体积很小，热时间常数也很小

23、。当短路电流通过时，可近似按稳态发热处理,2023/3/12,第六章电接触理论,49,6-7触头熔焊与焊接力,触头闭合时产生动熔焊的过程,预击穿,预击穿电弧,反跳,产生电弧触头熔化,重新闭合,反复几次,最终闭合触头焊接,闭合状态熔焊,静熔焊与动熔焊的区别,静熔焊：电阻焊接,动熔焊：电弧焊接,2023/3/12,第六章电接触理论,50,6-7触头熔焊与焊接力,触头焊接力,触头焊接后拉开触头所需的力,触头焊接力焊接处材料的抗拉强度熔焊面积,熔焊面积Aw与触头材料电阻率和熔化温度有关,Rj,Q热损失,Aweld,熔化温度,Aweld,焊接力随抗拉强度和电阻率的增大而增大，随熔化温度升高而减小,202

24、3/3/12,第六章电接触理论,51,6-7触头熔焊与焊接力,触头焊接力,一般具有随机性，且符合正态分布，这和接触表面条件及电弧出现位置的随机性有关,真空中，由于触头表面无氧化，熔焊更严重,常温下（即使不通电流）触头粘结的现象，称为冷焊。由分子迁移引起，真空尤为明显,2023/3/12,第六章电接触理论,52,6-7触头熔焊与焊接力,减轻触头熔焊的方法,采用电阻率小，抗拉强度小和熔化温度高的材料,加入少量其它元素，在熔焊面形成脆性相,减小触头弹跳,2023/3/12,第六章电接触理论,53,第六章 电接触理论,6-1 概述6-2 电接触内表面的物理图景6-3 接触电阻的理论和计算6-4-理论和

25、接触电压6-5 触头闭合过程的振动分析6-6 触头间的电动斥力6-7 触头熔焊与焊接力6-8 触头的质量转移和磨损,2023/3/12,第六章电接触理论,54,6-8触头的质量转移和磨损,触头磨损,触头在空载或通流时，多次开断和闭合将出现接触表面损坏的现象，统称为触头磨损,触头磨损的原因,机械的原因,电的（包括热的）原因,化学的原因,一般而言，触头分合电流造成的磨损主要是电和热的原因,2023/3/12,第六章电接触理论,55,6-8触头的质量转移和磨损,触头磨损,触头在空载或通流时，多次开断和闭合将出现接触表面损坏的现象，统称为触头磨损,触头磨损的原因,机械的原因,电的（包括热的）原因,化学

26、的原因,一般而言，触头分合电流造成的磨损主要是电和热的原因,2023/3/12,第六章电接触理论,56,6-8触头的质量转移和磨损,电磨损,桥磨损,U U0（最小生弧电流）,I I00（形成液态金属桥的最小电流）,因桥温度分布不对称，液桥最后断开位置偏向一个电极，形成材料由一极转向一极的现象称为桥转移,金属桥形成,金属桥断后,2023/3/12,第六章电接触理论,57,6-8触头的质量转移和磨损,电磨损,电弧磨损,两种机理,带电粒子在电场的作用下轰击电极，使表面材料蒸发而损失,电动力和气吹作用，使熔化金属成滴状喷出而损失,2023/3/12,第六章电接触理论,58,6-8触头的质量转移和磨损,触头磨损的不同形式和特征,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,