低压电器常用的触头材料、各自性能、应用

低压电器常用的触头材料、各自性能、应用
电触头是仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件。

高压输变电间大容量超高压发展, 低压配电系统与控制系统对自动化水平、灵敏程度要求的提高以及电子工业产品的更新换代, 都对触头材料提出了新的要求。

电触头在开闭过程中产生的现象极其复杂, 影响因素较多, 理想的电触头材料必须具备良好的物理性能、力学性能、电接触性能、化学性能、加工制造性能等。

国外对电接触元件和材料的研究已有六七十年的历史。

早期的触头材料多采用纯钨、纯钼、纯铜及贵金属银, 以后开始研制复合触头, 目前研究比较多的是低压电器银基触头材料、双层或多层复层触头材料、真空开关及其它封闭开关用触头材料等。

我国从1956 年开始研究和生产触头材料, 经过40 多年的发展, 目前可生产银基触头材料、钨基触头材料、铜基触头材料、贵金属基弱电接点材料等。

1 铜基触头材料
1.1 铜钨系触头材料
铜钨系触头材料具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性、强度高等优点。

但由于其开断能力不大, 只适用于小容量的真空断路器和真空接触器。

近几年随着触头结构和灭弧介质的改进, 铜钨触头的开断容量有了很大提高, 如在少油断路器中达到了1200MVA。

在铜钨合金中添加镍可使其抗电弧腐蚀性能得到进一步提高。

1.2 铜铋合金触头材料
铜铋合金具有良好的抗熔焊性、较低的截流值、一定的开断能力。

但因强度低、电弧侵蚀大, 故触头寿命较短, 可用于20kV 以下的真空断路器中。

为满足更高电压等级及分断更大电流的要求, 美国研究了CuBiAl( 12% Al, 1% Bi, 质量分数) 合金, 这种合金耐电压能力是铜铋( 0.5%Bi) 合金的3 倍, 抗熔焊能力也很强。

为提高分断容量, 日本又研究了CuTeSe 触头材料, 这种触头开断能力大, 损蚀率小。

1.3 铜铬材料
铜铬材料的特点是耐电压水平高、分断容量大、有很强的吸气能力、耐损蚀特性好、截流值不太高。

但就某单一方面的性能, 铜铬触头还存在明显不足,如
耐压不如铜钨合金, 抗熔焊性略逊于铜铋合金, 截流值则高于银钨合金, 而且, 由于铜与铬的互溶性差, 通过烧结收缩致密化有一定困难。

目前各国公认它是最佳的中高压真空断路器触头材料之一, 多用于12kV 以上的真空断路器, 许多
使用铜铋的场合已由铜铬代替。

2 银基触头材料
2.1 银钨系触头材料
银钨系触头材料具有良好的热、电传导性, 耐损蚀性, 抗熔焊性, 主要缺点是接触电阻不稳定。

为解决这一问题, 可在银钨触头材料中添加镉、锌、镁及铁等金属元素。

添加镍对减轻磨损有利, 在镍含量低于13%时, 可使硬度增加, 耐电弧腐蚀性也增加。

2.2 银金属氧化物电触头材料
在银金属氧化物中, 有代表性的是银氧化镉和银氧化锡。

银氧化镉电触头材料具有耐电磨损、抗熔焊、接触电阻低而且稳定的特点, 广泛应用于多种低压电器。

Rieder 等及作者的研究表明, 决定银金属氧化物触头材料性能的主要因素不是所选用氧化物的种类, 而是材料在电弧作用下形成的表层结构和材料的制造工艺以及添加物。

作者主要研究了添加合金元素对银氧化镉合金形态结构和性能的影响, 找到了改善合金导电率、硬度、电弧侵蚀速率的一些添加元素。

在中低电流范围内, 可用银氧化锡取代银氧化镉触头材料, 目前, 已应用于各种接触器、电动机起动器和保护开关、低功率断路器、仪器仪表等方面。

20 世纪80 年代中期, 上海电器科学研究所等单位就完成了内氧化法银氧化锡材料的试制。

目前, 国内主要生产厂都已具有生产AgSnO2 材料的能力, 产量逐年递增。

2.3 银镍、银石墨电触头材料
银镍触头材料具有良好的导电、导热性, 接触电阻低且稳定, 电弧侵蚀小而均匀, 在直流下开闭时的材料转移比纯银小。

但是, 这种触头在大电流下抗熔焊性能差, 通常和银石墨触头配对使用。

为了进一步提高银镍触头性能, 可向银中加入少量铜、锡或锌制成合金粉并进行内氧化, 然后与20%的镍粉及1% 以下的石墨粉混合, 烧结、挤压,所得产品的耐电弧腐蚀性、抗熔焊性与银氧化镉相同; 向高镍含量的银镍合金中添加一种或多种难熔金属( 钨、钼、铬) 或难熔金属的碳化物, 可提高抗熔焊性能; 向银镍合金中加入其它金属氧化物( CuO,ZnO,
SnO2) 还可降低银含量, 而触头性能相当或优于银氧化镉材料, 抗熔焊性亦得到提高; 向银镍中添加高熔点、耐腐蚀的金属钛, 能提高银镍触头的硬度和耐电弧腐蚀性能。

银石墨触头材料的特点是导电性能好、接触电阻低、抗熔焊性好, 即使在短路电流下也不会熔焊。

但是电弧侵蚀较高, 电磨损大, 灭弧能力差。

银石墨类材料的接触特性与生产过程中石墨颗粒在银基体中的分布状态有很大关系。

随着电器工业的发展, 强电触头材料在电器开关中地位非常重要, 有向高电压、大电流方向发展的趋势, 研究重点是它的抗熔焊性、耐损蚀性、接触电阻的稳定性及采用的制备技术、添加元素及粉末原材料对触头性能的影响等。

中等电负荷的触头有向小型化发展的趋势, 在材质方面, 仍以银基合金及银金属氧化物为主。

对于弱电触头材料, 也有向小型化、高寿命和高灵敏度方向发展的趋势, 为节约贵金属, 将大量利用多种复层技术、挤压成型技术, 以提高材料的利用率。

材料的多层技术和复合材料将成为现代小功率触头材料研究的主要方向。

参考文献
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