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影响接触电阻的因素

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接触电阻Rj由两部分组成,即收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb。

收缩电阻是电流在流经电接触区域时,从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点,电流发生剧烈收缩现象,此现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。

表面膜电阻为在电接触的接触面上,由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质,这就是接触电阻的另一部分——膜电阻。

很多现场勘查人员对插片、插座烧毁的痕迹习惯归结为接触不良、接触电阻过大所致,其实导致接触电阻增大有很多原因。


1.接触形式


目前用于工业上的接触形式很多,总的说可分为三类,即点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响,主要表现在接触点的数目上,一般的说,面接触的n最大(n为接触点数)而收缩电阻Rs最小;点接触则n最小,收缩电阻Rs最大;线接触则介于两者之间。

接触形式对膜电阻Rb的影响,主要是看每一个接触点上所承受的压力F1,若触头上外加压力为F,则每点上的压力为:

一般的说,点接触形式F1最大,这就容易把表面膜破坏,所以使Rb有可能减到最小;反之面接触的F1就最小,故对Rb破坏力最小,Rb值就有可能最大。

然而,初看上去,似乎面接触n最大,所以接触电阻就应该最小。其实不然,在接触压力最小时,面接触的接触电阻并不比点或线接触的接触电阻小。

固定接触的连接,一般采用螺栓、螺纹或铆钉等压紧,压力很大,故常采用面接触,使Rj减小。可分接触的连接一般用弹簧压紧,压力较小,并考虑到装配检修方便和工作可靠,多采用点接触或线接触的接触形式。现代的高压断路器和低压自动开关中,可分触头的滑动、滚动的接触连接,一般采用多个线接触或点接触并联使用,使接触电阻减小,工作可靠,而且制造、检修也比较方便。


  2.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Rj的大小,比如:电阻率ρ、材料的布氏硬度HB、材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度等。下面介绍几种常用的导体材料性质。

   (1)银

其电阻率和布氏硬度都较小,在低温下不易氧化,高温下银的氧化物又很容易还原成金属银;其氧化物电阻率也较低,可见银的氧化膜对基础电阻的影响不是主要的问题。虽然银的硫化物有较高的电阻率,但在300℃时也就开始分解了。可见,使用银作为接触材料,尤其是触头是理想的。

它的主要优点主要有接触电阻低且稳定、允许温度高。但其缺点是:熔点低、硬度小。适用于做继电器和小容量接触器的触头材料。因为银的价格昂贵,故常采用铜镀银或镶银的方法来实现。

   (2)铜和黄铜

铜有良好的导电和导热性能,仅次于银,其强度和硬度都比银高,熔点也高于银,价格却低于银,易于加工。其缺点是在高温下,在大气或在变压器油中也能氧化生成Cu2O,导电性很差,其氧化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加,接触电阻将成倍地增加,有时甚至使闭合电路出现断路现象。因此,铜不适于做非频繁操作电器的触头材料,对于频繁操作的接触器,电流大于150A时,氧化膜在电弧的高温作用下分解可采用铜触头。从减少接触电阻的角度看,铜是仅次于银的材料,为减小铜触头的接触电阻可在铜上镀银或镶银,也可以镀锡。锡的优点是布氏硬度值小,氧化膜的机械强度很低,因此铜件上镀锡后可以减少接触电阻。

   (3)铝

铝在导电和导热性能上,在纯金属中仅次于银、铜和金,质轻且具有一定的机械强度,价格便宜。其最大缺点是化学性质活泼,在空气中的室温条件下就很容易生成坚硬的厚氧化膜( Al2O3),导电性差,也不易被破坏;也就是说在空气中腐蚀速度快;铝不能用做触头材料,一般只用于固定接触,并且为了防止电化学腐蚀常采用表面覆盖银、铜、锡等金属的方法以减小接触电阻。


3.接触压力


接触压力F对收缩电阻Rs值和表面膜电阻Rb值的影响最大,F的增加使接触点的有效接触面积增大,即接触点数n增加,从而使Rs减小。当加大F超过一定值时,可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到2~3个;当超过材料的屈服压强时,产生塑性变形,表面膜被压碎出现裂缝,从而增加了接触面积,这就使收缩电阻Rs因表面膜电阻Rb的减小而下降,Rs和Rb同时减小,从而使接触电阻大大下降。相反,当接触不到位、接触触头失去了弹性变形等原因使接触压力F下降时,接触面积减小,收缩电阻Rs增大,表面膜电阻Rb受F的破坏作用减弱或不受其影响,从而使表面膜电阻Rb增大。同时因Rb增大,使接触面积减小,从而使Rj增大,二者的综合作用使接触电阻整体上升。


4.接触表面的光洁度


接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响,这主要表现在接触点数n的不同。接触表面可以是粗加工、精加工,甚至是采用机械或电化学抛光。不同的加工形式直接影响接触点数n的多少,并最终影响接触电阻的大小。


  5.触头密封结构


触头密封结构主要用于可靠性要求高的电器,如继电器、高压断路器等。对高压断路器而言主要是其可靠性,防止触头污染,采取触头单独密封的结构,并在密封室内充以惰性气体或抽真空等办法,这样可以减少甚至避免腐蚀,使接触电阻低而且稳定,减少触头由其他原因引起的故障。真空断路器的触头就是密封在真空绝缘的外壳内,主要优点是防火、防爆且触头防污染。


   6.接触电阻在长期工作中的稳定性


这里主要是电接触中的腐蚀问题。腐蚀有各种方式,前述的无机膜的生成即是腐蚀的一种。腐蚀有两种:一种是化学腐蚀,另一种是电化学腐蚀。

     (1)化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都很低,虽然接触面的金属不与周围介质接触,但周围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入,并与金属起化学作用,形成金属氧化物,从而使实际接触面积减小,使Rj增加,接触点温度上升。温度越高,氧分子的活动力越强,可以更深地侵入到金属内部,这种腐蚀作用变得更为严重;

 (2)电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时,能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中,造成负电极金属的腐蚀。

铜跟铝表面容易氧化,导电膏其中一作用就是与氧隔绝而降低接触电阻提高导电率.   


7.温度


当接触点温度升高时,金属的电阻率就会有所增大,但材料的硬度有所降低,从而使接触点的有效面积增大。前者使Rs增大,后者使Rs减小,结果是两者互为补偿,故接触电阻变化甚微。但是,发热使接触面上生成氧化层薄膜,增加了接触电阻,这种接触电阻可成百成千倍地增大。其氧化速度与触头表面温度有关,当发热温度超过某一临界温度时,这个过程就会加速进行,这就限制了接触面的极限允许温度。否则,则将使接触电阻剧增,会引   起恶性循环。另外,当发热温度超过一定值时,弹簧接触部分的弹性元件会被退火,使压力降低,也会使接触电阻增加,恶性循环加剧,最后会导致连接状态遭到破坏。

来源:新能源热管理技术
理论科普电力结构基础
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首次发布时间:2022-10-13
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