电接触与触头材料

两种金属在表中的位置相隔越远，组成电池时的电动势就 越高。当电池正负电极用导线短路后将有电流I流通。在电 流流过的同时，负电极金属溶解到电解液中，造成负电极 金属的腐蚀。电动势越高，电流越大，腐蚀越严重。正电 极则不会出现这种腐蚀作用。
不同金属构成电接触时也会发生类似的腐蚀现象。如铜铝 接触、铜铁接触等。
为触头的本体温度Tb；
在接触处，由接触电阻产生的热损 接触面
本体
耗集中在很小范围内。这些热量只
能通过传导向触头本体传热，因此
接触点处的温度Tm要比触头本体温 度高。 Tb与Tm之差称为接触点温升
j
Tm
Tb
I 2R2j
8
j
I
2
R
2 j
8LT
对所有金属材料： LT
L称为洛仑兹常数：
本体的绝
L 2.4108 V 2 K 2 对温度
极性，另一个电极显负极性，电池的电动势决定于金属种
类。
electrons
Zn
Pt
HCl
各种金属在电解液中的电位(与氢相比较)，按电位高低排 成次序，叫做电化序表。
金属 Al
Zn
Cr
Fe
Cd
Ni
Sn
H
Cu
Ag
Pt
电位/V -1.34 -0.76 -0.56 -0.44 -0.4 -0.2 -0.14 0 0.345 0.8 0.86
电接触与触头材料
❖ 第一节 概述 ❖ 第二节 接触电阻及其影响因素 ❖ 第三节 电接触在长期工作中的问题
第一节 概 述
一、什么是电接触
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 电接触现象。 二、电接触的分类
1)固定电接触：用螺丝、铆钉夹 紧件将导电元件紧固在一起，无相对 运动的连接。
铜铜器板上上的的铁铁铆铆钉钉为为什什么么特特别别容容易易生生锈？锈？
减少电化学腐蚀的措施：
为了减少不同金属接触时出现的电化学腐蚀作用，应注 意避免采用在电化序表中相距较远的金属构成电接触。但在 高压断路器中，常不可免地需要采用铝铜接触。此时，可在 铝表面上用铜、银或锡覆盖，或在铝、铜两金属间加上锌垫 片以减少电化学腐蚀作用。也可在接触面周围涂抹油脂，防 止水分侵入形成电解液。
措施：增加接触压力可以提高接触电阻的稳定性;另一个有 效措施就是在容易腐蚀的金属上覆盖银、锡等金属。
2）电化学腐蚀
不同金属构成电接触时，还会产生电化学腐蚀。电化学腐 蚀会造成电接触的严重破坏。
电化学腐蚀的原理也就是化学电池的原理。用不同金属作
电极插入电解液中时，就形成了一个电池。一个电极显正
【例】计算玫瑰触头在长期通过额定电流时的接触点温升τj，已知 额定电流I=600A，本体温度90 ºC,接触电阻Rj =6.6μΩ.
【解】触头本体绝对温度为
T tb 273 363K
j
I
2
R
2 j
8LT
(600 6.6 106 )2 8 2.4 106 363
0.23
K
这个计算结果表明，只要接触电阻不大，在长期通过额定电流 时，接触点温度与触头本体温度相差无几。但当接触电阻由 6.6μΩ 增加为66μΩ 时，接触点温升将由0. 23K增大为23K，接 触电阻对接触点温升的影响已不容忽视了。
当触头长期闭合时，接触面虽不与周围介质相接触，但周 围介质中的氧分子等会从接触点周围逐渐侵入，与金属起 化学作用，形成金属氧化物。这样会使实际接触面积减小， 接触电阻增加。接触点温度愈高，氧分子活动能力越强， 可以更深地侵入到金属内部.这种作用更为严重。因此，为 了使接触电阻在长期工作情况下保持稳定，必须保证接触 点在长期工作下的温度不应过高。电接触的长期允许温度 所以很低的原因就在于此。
※
化学腐蚀
电化腐蚀
条件
金属跟非金属单质直接 多种金属或合金
接触
跟电解质溶液接触
现象 无电流产生
有微弱电流产生
本质 金属被氧化
较活泼金属被分解
联系 两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍
二、触头温升与熔焊
电流流经电器的导电部分时，导电杆、触头等的温度都
要升高。开关电器的触头大多是用截面很大的紫铜制成，
紫铜导热性又很好，因此触头部分的温度几乎相同，称
130
4
机加工，表 面有油
340
3
研磨加工
1900
1
研磨加工， 表面有油
2800
6
5. 接触电阻的工程计算方法
从上面的分析中我们可以看到，影响接触电阻的因素很多，
要准确的计算接触电阻是很困难的，通常只能用经验公式估
算。
与接触材料、表面加工等有关，由
Rj
K FmΒιβλιοθήκη ()实验确定与接触形式 有关
点接触：m = 0.5
由于接触点处导电状态的恶化破坏或在突然的短路电流作用下 热效应剧增，接触处的温度就可能达到金属材料的软化点或熔 点，使触头局部软化或熔化。如果熔化较厉害就会造成熔焊。 熔焊严重时就有可能将触头焊在一起而无法自行分开。
价低。
1)银：电阻率ρ与硬度Hb 都小;低温下不易氧化，高温下银的 氧化物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：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。锡的优点是硬度小，氧化膜的 机械强度低。
线接触：m = 0.75
系数K值：
面接触：m = 0.8~0.95
合金
接触材料
银-银
铜 – 铜 铜-铜（镀锡） 铝 – 铜
铝 – 黄铜
K
60
80~140 100
980
1900
第三节 电接触在长期工作中的问题
长期工作中的主要问题：
①发热 ②熔焊
与接触电阻异常恶化有关
③磨损
所谓触头磨损是指触头在长期的通流与合分动作过程中， 因污染、腐蚀、机械撞击及电弧的烧蚀(熔化、飞溅、气化) 等作用使触头导电状态严重恶化甚至产生变形、材料脱落 丢失等现象。
如各种电器的出线端与母线的连 接；输配电线路中线夹与导线、导线 与电缆头的连接；弱电中的插接件等。
2)滑动及滚动接触：一种可动但不可分的接触，接触元件间 可相互滑动或滚动。 如开关电器中的中间触头、电机的电刷与滑环及电车的供电等。
3)可分接触：机械式开关电器特有的电接触现象，电路的接通 与开断必然伴随导电件的闭合与分离，这是靠开关的触头来完成 的，可动的导电件叫动触头，不动的叫静触头，为了加快触头间 的电压耐受能力，也有两个触头同时运动，相向拉开的。
磨损的结果又加剧发热和熔焊的发生。
一、接触电阻的异常恶化问题
Rj的大小直接影响触头温度及工作可靠性，设计和维护 良好的断路器， Rj不应变化太大。
新加工的触头，表面氧化膜很薄，触头接触电阻较小。 经过长期工作后，触头表面与周围介质起化学作用，接
触电阻会不断增加。为了保证触头工作可靠，在长期工 作过程中，必须保证触头接触电阻长期稳定。为此，必 须分析造成接触电阻不稳定的原因。
弱电流触头：≤1A
中电流触头：几~几百A
强电流触头：几百A以上 √
2000A 捆绑式梅花触头
三.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。
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) 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。
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。
收缩电阻：
Rs
1 n
2. 接触压力 试验表明，在弹性变形范围内，接触压力愈大，接触电阻会 愈小
并非越大越好！接触压力达一定值后，接触压力趋于稳定， 因此过大的接触压力也没有必要，对于可分合接触是更有害 而无益。
3. 接触形式 接触的形式很多，按触头外形的几何形状不同，可分为点接 触、线接触和面接触三类。
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 接触面是在一个小面积内的若干个接触点。
Rj Rs Rm
1-视在接触面 2-实际接触面 3-实际导电斑点
二、接触电阻的影响因素及工程算法
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ρ,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。
理想材料：电阻率ρ小,硬度Hb小，高熔点，不易氧化，造
镀银
3)铝：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，一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铜和钨银复合材料具有导电性能好， 在电弧作用下烧损小的特点，是开关电器中广泛使用的触头材 料。钨铜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。
造成接触电阻不稳定的 原因有两个: 一个是化学腐蚀; 另一个是电化学腐蚀。
1）化学腐蚀
当可分触头分开时，构成接触连接的金属如铜、铝及其合 金与周围介质中的某些成分，如空气中的氧、变压器油中 的有机酸等起化学作用，生成不导电的化学膜，由此会出 现很大的表面电阻。这一现象称为化学腐蚀。
电接触受化学腐蚀的程度与金属种类、周围介质及接触面 的温度有很大关系。但是在触头关合过程中，由于触头间 发生碰撞和滑动，又会使化学膜部分去除，使接触电阻降 低下来。
Q n面 n线 n点 Rs面 Rs线 Rs点
膜电阻：压力F一定时，单个接触点的受力：
f面 f线 f点 Rm面 Rm线 Rm点
Rj Rs Rm 与接触形式及压力F有关
试验表明，在一定范围内且压力相同时，线接触的接触电阻比 点、面接触都低。这是因为点接触的接触点少、压强大，面接 触的接触点多、压强小，线接触压力强度和接触面积得到了较 适当的配合，故线接触广泛用于高压开关电器的可动接触中， 而面接触多用于固定连接。
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.
第二节 接触电阻及其影响因素
一、接触电阻
实验： 导体电阻：R U I
接触电阻：Rj U j I 产生接触电阻的原理：
4. 接触表面加工情况
接触表面可以是粗加工（机械），也可以是精加工（研 磨）。加工精度对接触电阻有一定影响，它表现在接触点数 的多少不同。
但实践表明，过于精细的表面加工对于降低接触电阻未必 是有利的。要综合考虑接触形式、接触压力等情况。
材料
F = 10 N
接触电阻 /μΩ
F = 1000 N
机加工
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 于断路器来说，金属的氧化物是主要的。
Ag : 0.016106 m << Ag2O : 1104 m Cu : 0.017 106 m << Cu2O : 5108 m Al : 0.029 106 m << Al2O3 : 11010 m 故，接触电阻：
Uj U
1）接触面积变小：
放大观察，任何精细加工的固体表面，其微观 结构总是粗糙不平的，即使外加很大的接触压 力也只有为数不多的点实际接触。 R 1 S
当电流通过两接触面的导电点时，电流线必然
收缩。
收缩电阻 Rs
2)表面覆盖物：
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或膜电阻Rm