第十四章-触-头

第十四章触头电路的通断和转换是通过电器中的执行部件，主要是其触头来实现的。触头是有触点电器的执行元件，又是电器中最薄弱的环节，其工作的优劣直接影响到电器的性能。本章就触头在不同工作状态下出现的主要问题，如接触电阻、振动等，进行一定的分析，找出减少其危害的一些实用方法并对触头的一些基本参数作一介绍。第一节概述一、触头的分类触头作为电器的执行机构，是非常重要的部件，它对电器的工作性能、总体结构、尺寸有着决定性的影响。触头的工作性能和质量直接影响到电器可靠性。触头在正常工作情况下经常要受到机械撞击、电弧等的有害作用，很容易损坏，故它又是有触头电器的一个薄弱环节。触头可按以下方法分类：1．按触头工作情况可分为有载开闭和无载开闭两种。前者在触头开断或闭合过程中，允许触头中有电流通过，后者在触头开断或闭合过程中，不允许触头中有电流通过，而在闭合后才允许触头中通过电流，如转换开关等。无载开闭触头，由于触头开断时无载，故无电弧产生，对触头的工作十分有利。2．按开断点数目可分为单断点式和双断点式触头。3．接触头正常工作位置可分为常开触头和常闭触头。4．按结构形状可分为指形触头和桥式触头等。5．按触头的接触方式可分为面接触、线接触和点接触3种。二、触头接触面形式触头接触面形式分为点接触、线接触和面接触3种，如图14—1所示。图14—1触头的接触式(a)点接触；(b)线接触；(c)面接触。1．点接触点接触触头是指两个导体只在一点或者很小的面积上发生接触的触头（如球面对球面，球面对平面）。它用于20A以下的小电流电器，如继电器的触头，接触器和自动开关的联锁触头等。由于接触面积小，保证其工作可靠性所需的接触互压力也较小。2．线接触线接触是指两个导体沿着线或较窄的面积发生接触的触头（如圆柱对圆柱、圆柱对平面）。其接触面积和接触压力均适中，常用于几十安至几百安电流的中等容量的电器，如接触器、自动开关及高压开关电器的触头。触头实现电联接，一般采用触头弹簧压紧，压力较小，并考虑到装配检修的方便和工作可靠，多采用点接触或线接触的形式。在近代高压断路器和低压自动开关中，有的采用多个线接触和点接触并联使用，以减小接触电阻，使得工作可靠，制造检修方便。3．面接触面接触头是指两个导体有着较广表面发生接触的触头（如平面对平面）。其接触面积和触头压力均较大，多用于大电流的电器，例如大容量的接触器和断路器的主触头。为了保证电器可靠工作，对触头有如下要求：工作可靠；有足够的机械强度；长期通过额定电流时，温升不超过规定值；通过短路电流时，有足够的热稳定性和电动稳定性；有足够抵抗外界腐蚀（如氧化、化学气体腐蚀）的能力；寿命长。三、触头的参数触头的参数主要有触头的结构尺寸、开距、超程、研距、触头初压力和终压力等。1．触头的结构尺寸触头的结构尺寸，主要是根据触头工作时的发热条件确定，同时也要考虑到它的机械强度与工作寿命等条件。2．触头的开距触头处于断开位置时，动静触头之间的最小距离S称为触头的开距（或行程），如图14—2所示。触头开距必须保证触头分断电路时能可靠地灭弧，并且有足够的绝缘能力。从减小电器的尺寸和减小触头闭合时振动的观点出发，在可靠开断电路的原则下，触头开距越小越好。触头开距的大小与开断电流大小、线路电压、线路参数以及灭弧装置等有关。3．触头的超程触头的超程是指触头对完全闭合后，如果将静触头移开，动触头在触头弹簧的作用下继续前移的距离厂，如图14—2所示。触头超程是用来保证在触头允许磨损的范围内仍能可靠地接触。一般在计算时选取超程tr)8.06.0(，式中t为新触头的厚度。图14—2触头的参数(a)断开状态；(b)刚接触时；(c)闭合状态。4.触头的初压力触头闭合后，其接触处有一定的互压力，称为触头压力。触头压力是由触头弹簧产生的。触头弹簧有一预压缩，使得动触头刚与静触头接触时就有一互压力0F，称为触头初压力，它是由调节触头弹簧预压缩量来保证的。初压力可以降低触头闭合过程的振动。5.触头终压力动、静触头闭合终了时，触头间的接触压力称为终压力zF。它是由触头弹簧最终压缩量来决定的。它使触头闭合时的实际接触面积增加，使闭合状态时的接触电阻小而稳定。6．触头的研距一般线接触触头的动、静触头开始接触时，其接触线在a点处（见图14—3），在触头闭合过程中，接触线逐渐移动，最后停在b点处接触，以导通工作电流。由于在动触头上的ab和静触头上的a’b’长度不一样，因此，在两者接触过程中，不仅有相对滚动，而且有相对滑动存在，整个接触过程称为触头的研磨过程。触头的滚动量与滑动量之和称为研距。触头表面有滑动，可以擦除触头表面的氧化层及脏物，减小接触电阻。触头表面有滚动可以使正常工作接触线（最终接触线）和开始接触线（最后分开线）错开，以免电弧烧损正常工作的接触线，保证触头接触良好。图14—3触头的研磨过程及研距触头的开距、超程、初压力和终压力都是必须进行检测的重要参数。在电器的使用和维修中常用这些参数来反映触头的工作情况及检验电器的工作状态。触头有4种工作情况：1．触头处于闭合状态触头处于闭合状态时的主要任务是保证能过规定的电流，且触头温升不超过允许值，主要问题是触头的发热及热和电动稳定性，触头的发热是由接触电阻引起的，故应设法减小接触电阻。2．触头闭合过程触头在闭合过程中会因碰撞而产生机械振动，这个过程的主要问题是减小机械振动，从而减小触头的磨损，避免触头熔焊。3．触头处于断开状态触头处于断开状态时，必须有足够的开距，以保证可靠地熄灭电弧和开断电路。4．触头的开断过程触头开断过程是触头最繁重的工作过程。当触头开断电路时，一般会在触头间产生电弧，这个过程的主要问题是熄灭电弧，减小由电弧而产生的触头电磨损。第二节触头的接触电阻一、接触电阻的产生图14—4(a)所示为一段完整的导体，通以电流I，用电压表测量出其AB长度上的电压降为U，则AB段导体的电阻力IUR图14—4接触电阻如果将此导体截断，仍通以原来的电流，测得AB两点之间的电压降为Uc见图3－4(b)，cU比U大得多，AB两点之间的电阻为IURcccR除含有该段导体材料的电阻R外，还有附加电阻jR，即jcRRR（14—1）称附加电阻R。为接触电阻。动静触头接触时同样也存在接触电阻。接触电阻包括收缩电阻和表面膜电阻。1．收缩电阻接触处的表面无论经过多么细致的加工处理，从微观角度分析，其表面总是凹凸不平的，它们不是整个面积接触，而是只有若干小的突起部分相接触，如图14—5所示，实际接触面积比视在接触面积小得多。当电流通过实际接触面积时，电流只从接触点上通过，在这些接触点附近，迫使电流线发生收缩。由于有效接触面积（即实际接触面积川。于视在接触面积，由此产生的附加电阻称为收缩电阻。图14—5电流线收缩2、表面膜电阻由于种种原因，在触头的接触表面上覆盖着一层导电性很差的薄膜，例如金属的氧化物、硫化物等，其导电性很差，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，由此而形成的附加电阻，称为表面膜电阻。表面膜电阻的大小除和膜的种类有关外，还与薄膜的厚度有关，膜越图3－5电流线收缩厚，电阻越大。接触电阻与触头材料、触头压力、接触面形式、表面和清洁状况等有关。由于膜电阻难于计算，故接触电阻可用经验公式计算，即mjFKR（14—2）式中jR—触头接触电阻（）；F—触头压力（N）；m—与触头接触形式有关的常数，对于点接触m＝0.5～0.7，面接触1m；K—与接触材料、接触表面加工方法、接触面状况有关的常数，见表14—1。表14—1当接触表面没有氧化层及污物时，各种触头材料的K值必须指出，式（14—2）的局限性很大，不能概括各种因素对接触电阻的影响。尤其是触头表面的氧化对K值的影响很大，在表14—1内只给出了触头表面未被氧化时的K值，至于氧化了的材料，其K值远远超过表14—1中给出的数值，它的接触电阻在很大范围内变化。所以，接触电阻的计算实际上是一个很复杂的问题，根据式（14—2）计算出的值只能作参考。在实际应用中，常采用测量接触压降的方法来实测接触电阻值。接触压降是指通过一定电流时，触头电接触处的电压降，即jjIRU（14—3）式中jU——接触电压降（V）；I——通过触头电接触处的电流（A）；jR——接触电阻（）。二、影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素有接触压力、触头材料、触头表面情况、接触形式及化学腐蚀等。1．接触压力的影响接触压力对接触电阻的影响最大，当接触压力很小时，接触压力微小的变化都会使接触电阻值产生很大的波动。由式（14—2）可知，触头接触电阻与接触压力近似双曲线关系，即接触电阻值在一定的压力范围内是随外施压力F的增大而减小的，如图14—6所示，这是因为在压力作用下，两表面接触处产生弹性变形，压力增大，变形增加，有效接触面也增加收缩电阻减小。而当压力达到一定值后，收缩电阻几乎不变，这是因为材料的弹性变形是有一定限度的，因而接触面积的增加也是有限的，故接触电阻不可能完全消除。图14—6接触电阻与接触压力的关系增大接触压力，可将氧化膜压碎，使膜电阻减小，但压力增大到一定程度后，膜电阻稳定在一个较小的数值。2．触头材料的影响触头材料的性质直接影响接触电阻的大小。这些材料的性质包括电阻系数、材料的机械强度和硬度、材料的化学性能等。材料的电阻系数越近，接触电阻就越小。表14—2给出了电器中常用材料的电阻系数与铜的比较值（铜的电阻系数为1）。表14—2常用材料电阻的系数与铜的比较银的电阻系数小于钢，但银比铜价格贵，所以常采用铜镀银或镶银的办法，以减小接触电阻。材料的抗压强度越小，在同样接触压力下得到的实际接触面积就越大，接触电阻就越小。采用抗压强度小的材料可以使接触电阻降低，但由于触头本身需要一定的机械强度，因此常在接触连接处，用较软的金属覆盖在硬金属上，以获得较好的性能，例如铜触头搪锡等。材料越易氧化，就越容易在表面形成氧化膜，如不设法清除，接触电阻就会显著增大。3．触头温度的影响触头的接触电阻与它本身的金属电阻一样，也受温度的影响，随着触头温度的升高，接触电阻增加。由试验得知，接触电阻与温度之间的关系式为00321jjRR（14—4）式中0jR——触头在0℃时的接触电阻（）；0——触头材料的电阻温度系数（1/℃）；——触头的温度（℃）。触头金属材料的电阻温度系数为0a，接触电阻的电阻温度系数为032a，后者比前者小031a，这是由于接触处温度升高后，材料硬度有所降低，使有效接触面积增大，以致在温度增加时，接触电阻的增加比金属材料电阻的增加要小一些，这种差别就用它们电阻系数的不同来表示。应该指出，式（14—4）只对清洁的接触面才正确。实际上，因为温度升高会加剧氧化，所以，温度对接触电阻的影响还要大些。图14—7接触电阻与温度的关系图14－7表示在接触压力不变的情况下，接触电阻jR与触头温度的关系曲线。曲线上的接触压力比曲线2的接触压力小，故接触电阻大。在B点以前足与d的关系由式（3－4）决定，接触电阻随温度的升高而增加。当温度达到B点时，为250～400℃，材料软化，实际接触面积增大，接触电阻有迅速减小的现象。这时，触头材料的机械强度突减，触头遭到破坏，这是不允许的，这种情况可能发生在触头通过较长时间短路电流的故障状态。当材料的强度稳定下来后，接触电阻又随温度的增高而增大。当温度达到C点时，材料熔化，接触处就会熔焊在一起，触头难以分离，电器不能正常工作。因此，触头的温升不允许超过允许值。4．触头表面情况的影响（1）触头表面加工方法的影响表面粗糙度对接触电阻有一定的影响。接触表面可以粗加工，也可以精加工。至于采用哪种方式加工更好，要根据负荷大小、接触形式和用途而定。对于大、中电流的触头表面，不要求精加工，最好用挫刀加工，接触面达6.1~3.6aR即可，重要的是平整。两个平整而较粗糙的平面接触在一起，接触点数目较多且稳定，并能有效地清除氧化膜。相反，精加工的表面，当装配稍有歪斜时，接触点的数目显著减小。对于某些小功率电器，触头电流小到毫安以下，为了保证jR小而稳定，要求触头表面