电接触理论

2、 “隧道效应”的计算：
①
隧道电阻率σ（或称膜的面电阻率）：
U J
式中 U：接触面间的电阻率； J：电子透过位垒形成的电流
密度。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
② 由σ求膜厚： 见下页图 6-7。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
3、分析膜电阻Rb：
① 单个斑点： Rb a2
②
n个Rb并联斑点n：a
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§6-2 接触电阻的理论和计算
由这两式化简，并考虑膜的影响，得工程上计算接触电阻的 公式：
式中 k值：查表6-1； m值：与接触面变形有关：
Rj
K (0.102F )m
将上式两端取对数，得知Rj与F的关系为一直线，如下页图6-9。
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点接触：m 0.5； 面接触：m 1； 线接触：m 0.5 ~ 1，约为0.7。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
6、计算接触电阻的理论公式：
Rj
2 ap
na
2 p
因式中的n、ap无法确定，改用F代替。
① 根据弹性力学，理论光滑弹性球与平面接触时，a与F的关
系为
a
3
F r E
，而 F HA H a2
；
② 修正后， F H a2
式中，是与材料变形有关的参数，0.3〈 〈1 。
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§6-１ 电接触的分类和要求
一、电接触及其可能出现的问题：
1、任一导电系统都有电流流过导体，或是由一个导体通过导体与导体 间的接触处传到另一个导体。
2、可能出现的问题： （1）两导体接触后，接触处会出现局部高温，严重时可达接触导体
材料的熔点； （2）触头在通断过程中，触头间会产生电弧，其高使触头表面熔化
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§6-2 接触电阻的理论和计算
3） 孤立斑点a与总收缩电阻Rs ：
Rs
2Rs’
2
4a
2a
b
式中 a： 导电斑点a的半径；b： 导电斑点a的直径；：接触元
件材料电阻率。
4） n个并联斑点的总收缩电阻：
Rs
n
2ai
2n ap
i 1
式中 ap：n个斑点半径的平均值。实践上，求n、ap困难。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
图中细底线表示接触内表面，其中间的一小段粗线代表斑点 α ，共焦点的椭圆壳和半圆弧线是等位面，指向α的是电流线。
假设：除α导电外，其它接触面不导电。 设α的电位为零，两接触元件收缩区的无限远处电位为(+/)0.5Uj （Uj≈用表测得的接触元件两端电压降），则 沿电流线方 向的等位面将为一系列共焦点的椭圆壳，见图6-5。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
由直线的截距和斜率可分别求出k值和m值。
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§6－3 导电斑点处的温度计算 一、 Φ—θ ：
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：
① 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。
2、电接触在短时通过短路电流或脉冲电流时，接触处不发生熔焊或 松弛；
3、可分合接触在开断过程中，接触材料损失尽量小； 4、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损伤或变形。
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§6-１ 电接触的分类和要求
五、各类接触器实物图
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§6-１ 电接触的分类和要求
具体分析其原理： 利用稳定情况下的热 平衡式： Q Q1 Q2 参考右图6-10。
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§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 ，其m中（ ，）
平的，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点发生了真正的 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。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然回发生 收缩现象，见下图6-4的示意图。
•
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§6-2 接触电阻的理论和计算
二、接触电阻的组成：
Rs Rb （Rs1+Rs2）
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教学基本内容： 1、电接触概述； 2、电接触内表面的物理图景； 3、接触电阻的理论和计算； 4、接触导体稳定温升的分布与接触点最高温升的计算； 5、触头闭合过程的振动分析； 6、触头间电斥力、熔焊与焊接力； 7、触头熔焊与焊接力； 8、触头质量的转移与磨损； 9、触头材料。
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教学重点与难点： 1、接触电阻的理论和计算； 2、接触点最高温升的计算； 3、斑点的温度θm和接触电阻Rj的大小。
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§6-１ 电接触的分类和要求
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§ 6-1 电接触的分类和要求
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§6-１ 电接触的分类和要求
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§6-2 接触电阻的理论和计算
一、接触电阻是产生局部高温的原因。 电流通过两导体点接触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。 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
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§6-１ 电接触的分类和要求
(3) 可分、合电接触： ① 定义：可分合电接触又叫触头或触点，是指可随时分开和闭合的 电接触，常由动、静触头组成。为防止电弧将主触头烧损，有时是将主、 副和弧触头并联在一起使用。 ② 触头根据控制电流的大小分为：弱电流触头(几个培以下，如继 电器的触头)、中电流触头(几个安培~几百个安培，如低压断路器的触头) 和强电流触头(几百个安培以上，如高压断路器和部分低压断路器)。
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。
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本章基本内容
1、电接触的定义和分类; 2、接触电阻的组成、减小措施和计算; 3、接触电阻的Φ-θ理论与计算; 4、触头间电动斥力计算; 5、电接触新材料； 6、欧洲两指令及对策。
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§6-１ 电接触的分类和要求
e、特性指标： 包括“容许温升；电动稳定性和动稳定 电流和电寿命（在规定的电路参数下，能正常 通断规定的负载电流的操作次数） ”等。
3、电接触的分类2： 按接触面积大小不同，分点、线、面接 触三种。
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§6-１ 电接触的分类和要求
三、 对电接触的主要要求
➢电接触的工作面临: （1）长期工作电流作用； （2）开断与关合过程中的电弧作用。
电接触理论
➢电接触：
导体与导体之间相互接触（传递电流或电信号）。
➢内容提要
电接触的类型与要求 接触电阻及其影响因素 开关电器的触头 电接触材料
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教学目的与要求：
1、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；
2、掌握接触点最高温升的计算，了解触头闭合过程的振动； 3、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。
➢电接触的可靠性 对电器的电接触，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。
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§6-１ 电接触的分类和要求
四、为保证电接触长期稳定而可靠工作，必须做到：
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；
§6-2 接触电阻的理论和计算
2、膜电阻Rb分析： 1） 吸附现象：产生表面膜； 2） 表面膜有导电膜和绝缘膜。导电膜也叫吸附膜，它的膜
薄，由电子“隧道效应”导电；绝缘膜较厚，有氧化物、硫化物、 聚合物膜、玻璃状绝缘膜等。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
3） 金属表面膜的形成：以铜和银为例。 a、 以银为例分析： ① 空气：银不易氧化； ② 臭氧：Ag2O，易清除，200℃即分解； ③ 含H2S的空气：在水膜中生成Ag2S绝缘暗膜，干燥时不
稳定在终止点（Rz，Uz）。 3） 膜击穿后，称电压在0.3~0.5V数量级的为A类熔解； 膜击
穿后，称电压在0.01~0.02V数量级的为B类熔解。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
5、绝缘暗膜击穿的机理： 电方面：
（1） 电击穿：电场内部电子发射，形成电子云，使金属表 面局部加热直至熔化，由于强大静电力作用，液态金属被吸入放电 通道而桥接，最后形成金属的电流通路。
式中 Rb：表面间膜电阻； Rs：收缩电阻。因电流线收缩 （图6-4），使流过导电斑点附近的电流路径增长，有效导电 面 积减小，故电阻值相应增大而形成。
特别地：1、材料相同时，Rj Rb 2 R；s 2、在真空中， Rb ≈ 0，故 Rj 2 Rs 。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
三、如何减小Rj： 1、收缩电阻Rs ： 1） 分析某孤立的圆形、 半径为α的导电斑点（尺寸只 有零点几毫米，甚至几微米的 数量级）； 2） 对a建立收缩物理模 型，理论上定量分析。见图 6-5。
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§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。
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§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。
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§6-１ 电接触的分类和要求
③ 触头有关参数和指标： a 工作参数(使用条件参数)：UN、IN、工作制、操作频率、通电持
续率(即TD％)； b 触头极数：直流有单极与双极；交流有3、4、5极等； c 断口数：单断口和双断口；
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§6-１ 电接触的分类和要求
d、结构参数： 开距：触头完全断开时，动静触头间的最短距离； 超程：当动静触头完全闭合后，移开动(或静)触头后，静(或动) 触头将要移动的距离。 初压力：动静触头刚刚接触时，每个触头上承受的压力。 终压力：动静触头完全闭合后，每个触头上承受的压力。
2 p
4、绝缘暗膜的击穿：因与气
体介质击穿过程不同，也称之
为膜的熔解。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
1） 半导体特征：电压U由0升高，膜电阻由MΩ级下降；U下降， 膜电阻上升。
2） U上升至某临界值（如5伏），膜被击穿，膜电阻突然消失， 接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级。
绝缘暗膜的电击穿过程： ① 实线：加压或减压时，膜处于完好绝缘状态； ② U0：临界电压。当U≥U0，膜被击穿，用虚线表示，并最终
和气化，使触头材料损失，或导致触头的熔焊。 3、主要分析对象：接触电阻、温升、熔焊和磨损等。
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§6-１ 电接触的分类和要求
二、电接触的定义和分类：
1、电接触是导体与导体的接触处；也称电接触是2个或n个导体通过机 械方式连接，使电流得以通 过的状态。
2、电接触的分类1：按结构形式不同，分三种。 (1) 固定电接触：用螺钉、铆钉等将母线与母线固定连 接在一起，是 既无相对移动也无相对分合的电接触方式。 (2）滑动和滚动电接触：触头能作相对滑动和滚动，但 不相互分离， 它们的相对运动方向与接触表面平行。
② 导电斑点处传热面积最小、散热最差。 由①、②知：已知电流下的斑点处的温度最高。
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§6－3 导电斑点处的温度计算
三、实际测斑点温度困难，引入Φ—θ理论以确定斑点a最高温度及
其附近温度分布： 1、求斑点的温度：
Φ—θ理论：已知电流值i，求斑点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ρ和热 导率λ都与温度有关。
易侵蚀银。Ag2S是半导体，近似于绝缘件。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
b、 以铜为例：空气中，金属材料表面由吸附膜发展成肉眼可 见的氧化暗膜，生长规律理论上由氧化速率的抛物线定律决定，但实 际的生长规律复杂。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
四、膜的导电性问题：
1、 理论分析：由经典理论知：一层绝缘膜，不论厚度如 何，电子都不能穿过它而导电。而量子力学理论：由电子的“波” 的性质，电子能透过薄膜而导电，这个效应叫“隧道效应”。
（2） 热击穿：由于膜的不均匀性，使电流集中通过局部电 导率较高的点，引起半导体膜的温度升高，电导率增大，又使电流 更加集中和加大，以致发生最终的热击穿，被熔化的金属最后引入 击穿通道而桥接。
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§6-2 接触电阻的理论和计算
机械方面： 膜的机械破坏要求实际接触面上作用有很高的局部压力，并
且边面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性。为此需要接触表 面有一定的粗糙度，使接触斑点有小的接触面积，以获得高的局部 接触压力，同时选用适当的接触材料和结构。