电触头材料的选择一、触头材料的基本要求:(1)、具有足够的开断能力;(2)、小的节流电流;(3)、高的耐电压强度;(4)、具有高的抗熔焊能力;(5)、含气量要低;(6)、高的导电率、导热系数和机械强度,小的接触电阻;(7)、电侵蚀率低;(8)、热电子发射能力低。
二、触头在操作过程中的物理现象包括:1、接触电阻:当两个触头相接触表面不可能非常平整光滑,总会有突出的部分,因而实际上只有这些突出点才是真正接触的,这样电流线将收缩到几个有限的点上,这种现象形成了收缩电阻。
另一方面由于各导体的接触表面有尘埃、气体或水分子的吸附,金属表面的氧化或硫化等会形成一层表面薄膜,它的导电性很差,由此引起的接触电阻称为表面膜电阻。
由上述两种电阻构成了接触电阻;2、机械磨损:触头在开闭过程中会受到机械力的冲击,造成触头变形,裂开或剥落,因而会影响触头的寿命;3、电弧腐蚀:触头在开闭过程中有电弧产生,电弧会使触头表面金属熔融、飞溅而散失,这种现象称为电弧腐蚀,它决定了触头色使用寿命;4、触头的发热和熔焊5、剩余电流:当触头将一交流大电流断开时,电弧虽在电流自然过零点时熄灭,但在触头间还留着一个暂态微小的剩余电流,它铜触头材料的灭弧能力有关。
6、电击穿:当触头间的开距小而电场强度较大时,那么虽然触头处在断开状态,但触头表面的一些来联系较弱的颗粒可能在强的场强作用下被拉出吸引至对面触头,导致触头间的电击穿。
7、材料转移:在直流情况下触头动作时,会出现触头材料从触头的一方转移到另一方的现象,称为材料转移。
三、触头的工作可分为四种工作情况:分断状态、闭合状态、闭合过程和分断过程。
触头闭合工作时,接触力应根据出头工作的要求来选择。
如果触头间可能流过短路电流,那么流过短路电流时触头不应被推斥开或发生熔焊。
开关电器触头闭合时发生的碰撞使接触部分发生弹性和塑性变形,一部分动能转化为热能,而另一部分动能则由于弹性变形的复原而发生反方向的反弹。
在闭合力的作用下,反弹后再次发生碰撞,经过多次弹跳后触头最后终止于闭合位置。
电压较高的电路,触头闭合过程中触头间隙小雨击穿强度时,会发生预击穿而提前产生电弧。
触头接通电流后,触头收到电动斥力的作用。
触头间隙产生电弧后,触头材料蒸发时产生的压力等都会给触头的弹跳产生影响。
载流情况下触头分断时,若电路的电压与电流值小雨生弧最小值(见表1),将不产生电弧,在一定条件下会产生辉光放电。
除少数的继电器外,对于一般的开关电器,电路的电压与电流均大于生弧电压与电流值,因此触头分断时要产生电弧。
触头材料的电导率与热导率要高。
电导率高的材料,触头固有电阻小。
热导率高时能迅速降低弧根的温度,减小触头金属的熔化面积,减少金属蒸气,提高触头间隙的介质恢复强度。
另外,触头材料的金属再结晶温度、熔化温度与沸点要高,熔化与蒸发潜热也要高。
这些参数高了,触头不易熔焊,金属的熔化与蒸发量少。
同时,也希望触头间隙中介质的游离电位值和触头材料的游离电位值要高。
介质游离电位值的提高,可降低间隙中的电导,改善灭弧条件。
触头材料的游离电位高了,电子逸出功就大,减少间隙放电时从触头表面发射的电子。
设计触头时,应以负载电路的电压、电流、功率因素或时间常数、分断与闭合能力、负载工作制、电路的固有参数(固有振荡频率与振幅系数)、要求的电寿命与机械寿命等作为设计的依据,以满足不同工作情况下的不同要求。
材料逸出功W/eV游离电位φ/eV生弧最小值电压U/V电流I/A铂金铱钯银钨铜石墨镉镍锡锌铑钼水银氧化镉6.34.95.34.84.747.494.44.814.14.54.384.244.574.634.523.588.969.229.28.337.577.987.7211.229.07.637.339.397.77.910.414.817.515—8121513201115—10.51314——0.90.38—0.450.41.10.430.030.10.45—0.10.350.45——四、触头材料可分为三类:纯金属、合金和金属陶瓷。
常用触头材料的性能见表2所列。
(一)、强电用触头材料是以银、铜为主的合金材料,它的要求为:(1)、低的接触电阻,保证长期通过额定电流而不会过热,因而要求没有高电阻的表面膜。
(2)、电弧腐蚀和机械磨损要小,可使使用寿命提高。
(3)、抗熔焊性能好,要求材料熔点高,在发生故障情况下也能顺利切断电路。
(4)、剩余电流小,灭弧能力强。
(二)、对弱电用触头材料的基本要求同强电触头材料,但由于这种触头的闭合力小,故机械磨损不是主要问题。
直流下要求材料转移小。
(三)、真空开关用触头材料一般采用铜铋铈合金、铜铋银合金、铜碲硒合金、钨-铜铋锆合金及铜铁镍钴铋合金。
各种典型开关常用触头材料如表3所列。
触头材料成分①电阻率ρ/Ω•m•103-温度系数α/103-K1-热导率λ/W•cm1-•k1-熔化温度②θro/℃维氏硬度HV/N•mm2-熔焊极限电流I ro/kA熔焊强度③/N•mm2-纯金属铜银钨钼电工铜99.9%银——1.731.655.54.83.94.04.74.73.94.181.641.451083960340026001040650430025504.35.81.32.3330160190190合金银—镍银—硅银—镍—铍银—铜黄铜钢99.9/0.198.5/1.598/其余镍+铍80//20Ms58光亮钢1.82.11.92.07.319.73.53.13.33.51.63.353.83.33.73.320.880.3796083090077989013008109708901350160024205.23.04.84.5——300390330330——金属陶瓷银—氧化镉银—氧化锡银—石墨—镍银—石墨银—石墨—镍银—铁银—镍银—镍银—镍银—钨银—碳化钨银—碳化钨90/1092/898.5/0.5/198/296.5/3/0.590/1090/1080/2060/4020/8050/5020/802.12.11.82.02.93.71.82.12.14.64.36.53.63.13.93.93.51.83.53.52.40.951.20.83.073.43.952.52.452.03.63.12.92.41.651.296011507006606105407106807608702450161021004.04.15.75.75.74.25.34.42.52.02.32.119090402010701209013012013050 注:①所列数据是指重量百分率。
②合金是指固相点,金属陶瓷是指最低熔化成分的熔点。
③熔焊极限电流和熔焊强度是在直径为8mm、接触力100N、接触表面的球半径为15mm的圆柱形触头上测出的。
典型开关通断电流I/A 优先选用的触头材料辅助开关(包括继电器)<10 银,银/铜(铜3%~10%),银/镍99.85/0.15 辅助开关接触器负荷开关10~50银/镍90/10银/铜(铜3%~10%)接触器负荷开关电容器开关低压小容量断路器50~3000银/银氧化镉90/10银/银氧化镉88/12银/银氧化镉85/15银氧化镉含量随开断电流的增大而增多导线保护开关漏电保护开关<3000银/石墨(石墨2%~5%)银/氧化锌92/8,银/银氧化镉90/10很少应用:银/氧化镉,银/镍,银/钨低压断路器3000~10000 银/钨(钨50%~70%)——对称配对银/钼(钼50%~70%)——对称配对银/镍(镍10%~40%)非对称配对银/石墨(石墨3%~5%)低压断路器>10000银/钨、银/钼、银/碳化钨(钨、钼或碳化钨50%~70%)主触头为银,灭弧触头为银/钨,铜/钨(钨70%~90%),钨。