電接觸理論國內(nèi)外研究概況及其發(fā)展課件

電接觸理論國內(nèi)外研究

概況及其發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)陸儉國2010年5月26日1電接觸理論國內(nèi)外研究

概況及其發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)1目錄一、概述二、電接觸學(xué)科的形成與發(fā)展三、電接觸與電工產(chǎn)品可靠性間關(guān)系四、電接觸領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)會(huì)議五、影響觸頭性能的關(guān)鍵因素六、電接觸與電工產(chǎn)品可靠性的發(fā)展前景2目錄2一、概述1、電接觸的定義

“電接觸”是研究固態(tài)導(dǎo)體與固態(tài)導(dǎo)體、固態(tài)導(dǎo)體與液態(tài)導(dǎo)體接觸中的機(jī)械現(xiàn)象、電現(xiàn)象、熱現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象的一個(gè)專門學(xué)科。因此,“電接觸”的含義是指導(dǎo)體接觸過渡區(qū)產(chǎn)生的各種物理、化學(xué)現(xiàn)象。至于接觸導(dǎo)體本身，稱之為“接觸元件”。但是，在工程實(shí)際應(yīng)用中，“電接觸”常指的是接觸導(dǎo)體的具體結(jié)構(gòu)或接觸導(dǎo)體本身，稱為“電觸頭”,簡稱觸頭或觸點(diǎn)。3一、概述1、電接觸的定義3

工程應(yīng)用中的電接觸，其具體結(jié)構(gòu)型式很多，但從接觸工作的原理上講只有三類：固定接觸，滑動(dòng)接觸和可分合的接觸。固定接觸在強(qiáng)電中有母線的連接或鉚接、輸電線連接器、電纜頭等，在弱電中有電子設(shè)備和儀器中的插接件、連接器、塞子和插頭等?；瑒?dòng)接觸有開關(guān)中的滑動(dòng)觸頭、變阻器的滑動(dòng)頭、電機(jī)的電刷與滑環(huán)、電力機(jī)車的饋電弓與饋電線等?？煞趾辖佑|有各種開關(guān)電器和繼電器的觸頭。4工程應(yīng)用中的電接觸，其具體結(jié)構(gòu)型式很多，但從接觸工作的2、電接觸的幾個(gè)基本概念（1）接觸電阻電接觸的基本任務(wù)是傳導(dǎo)電流。對(duì)它的基本要求是：接觸元件接觸時(shí)為良好的導(dǎo)電體，接觸元件分離后為良好的絕緣體。但是，任何經(jīng)過精細(xì)加工的名義平面，實(shí)際上都是粗糙不平的表面。當(dāng)這種名義平面相互接觸時(shí)，即使外加很大的接觸力（如彈簧力、螺栓力）使兩接觸面相互壓緊，但在接觸內(nèi)表中也只有少數(shù)的點(diǎn)(小面)實(shí)際發(fā)生了真正的接觸，這些實(shí)際接觸的小面承受著全部的外加接觸力。由于金屬表面一般都覆蓋著不導(dǎo)電的氧化膜或其它種類的膜，因而在實(shí)際接觸小面內(nèi)，只有少部分膜被壓破的地方才能形成金屬與金屬的直接接觸，電流實(shí)際上只能從這些更小的金屬接觸點(diǎn)中通過。為了區(qū)別在實(shí)際接觸的小面中有導(dǎo)電的和不導(dǎo)電的部分，因此把那些實(shí)際發(fā)生機(jī)械接觸52、電接觸的幾個(gè)基本概念5的小面稱為“機(jī)械接觸斑點(diǎn)”，簡稱“接觸斑點(diǎn)’，其中那些形成金屬接觸的更小面（實(shí)際傳導(dǎo)電流的面)稱為“導(dǎo)電斑點(diǎn)”。當(dāng)電流通過兩接觸元件的接觸內(nèi)表面時(shí)，電流將集中流過那些極小的導(dǎo)電斑點(diǎn)，因而在導(dǎo)電斑點(diǎn)附近，電流線必然發(fā)生收縮。由于電流線在導(dǎo)電斑點(diǎn)附近發(fā)生收縮，使電流流過的路徑增長，有效導(dǎo)電面積減小，因而出現(xiàn)局部的附加電阻，稱為‘收縮電阻’。如果電流通過的導(dǎo)電斑點(diǎn)間存在表面膜，則電流因通過極薄的膜時(shí)還會(huì)遇到另一附加電阻，稱為‘膜電阻”。這兩部分附加電阻在電路上是串聯(lián)相加的，這個(gè)附加的總電阻稱為接觸電阻。（2）導(dǎo)電斑點(diǎn)溫度當(dāng)電流通過導(dǎo)體與導(dǎo)體的接觸處時(shí)，由于接觸電阻的存在，在電流收縮區(qū)兩端必然會(huì)出現(xiàn)一定的電壓降，這個(gè)電壓降稱為“接觸壓降”。由于接觸電阻產(chǎn)生焦耳熱使收縮6的小面稱為“機(jī)械接觸斑點(diǎn)”，簡稱“接觸斑點(diǎn)’，其中那些形成金區(qū)的溫度升高，常超過收縮區(qū)外導(dǎo)體的溫度。導(dǎo)電斑點(diǎn)上的溫度超過收縮區(qū)外導(dǎo)體的溫度的數(shù)值稱之為斑點(diǎn)的“超溫”：

式中θ——導(dǎo)電斑點(diǎn)的超溫；

U——接觸壓降；——接觸導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)體率與電阻率乘積的平均值。如果通過導(dǎo)體接觸處的電流增大，或者接觸電阻增高，則接觸壓降必然相應(yīng)增大，導(dǎo)電斑點(diǎn)和收縮區(qū)內(nèi)的溫度亦會(huì)相應(yīng)增高，當(dāng)溫度達(dá)到接觸導(dǎo)體材料的軟化點(diǎn)和熔化點(diǎn)時(shí),導(dǎo)電斑點(diǎn)及其附近的金屬就會(huì)發(fā)生軟化和熔化。一定的導(dǎo)體材料，有一定的軟化和熔化溫度，其對(duì)應(yīng)的接觸壓降稱為材料的“軟化電壓”和“熔化電壓”。7區(qū)的溫度升高，常超過收縮區(qū)外導(dǎo)體的溫度。導(dǎo)電斑點(diǎn)上的3、電接觸的主要問題

固定接觸在工作中出現(xiàn)的主要問題是：接觸電阻、接觸溫升和接觸熔焊?；瑒?dòng)接觸除上述問題外，還有接觸元件之間的摩擦、潤滑和磨損?？煞趾辖佑|在工作期間常出現(xiàn)電弧，電弧會(huì)帶來嚴(yán)重的問題。4、電接觸在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用

任何電氣系統(tǒng)都必須將電的信號(hào)或能量從一個(gè)導(dǎo)體傳向另一個(gè)導(dǎo)體，而導(dǎo)體與導(dǎo)體的連接處電接觸常常是造成電信號(hào)或能量傳遞的主要障礙。如高、低壓開關(guān)電器，觸頭和滅孤系統(tǒng)是它的心臟，開關(guān)性能的好壞決定于觸頭和滅弧的性能。其它含有電接觸的電機(jī)、電工產(chǎn)品、儀表、電子產(chǎn)品，其性能的好壞在很大程度上決定于電接觸的性能。83、電接觸的主要問題8現(xiàn)代化的大型復(fù)雜電氣系統(tǒng)，例如大型電力系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)等，其中包含的電接觸數(shù)目常在數(shù)十萬個(gè)以上，如果其中的一個(gè)或幾個(gè)工作失效，則將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作紊亂，甚至全部癱瘓，它所造成的嚴(yán)重后果將是無法估量的。今天，我國超高壓輸電系統(tǒng)所用的電器，核聚變工程中的保護(hù)開關(guān)，航天器上的繼電器，大型電子計(jì)算機(jī)中的連接器，現(xiàn)代化軋鋼系統(tǒng)中的電器設(shè)備等等，都是電接觸在工程中的實(shí)際應(yīng)用。所以電接觸好壞對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重要作用。99二、電接觸學(xué)科的形成與發(fā)展電接觸現(xiàn)象雖然已有一百多年的研究歷史，但形成一門獨(dú)立的學(xué)科還是上世紀(jì)50年代以后的事。在此以前，只是少數(shù)人在研究電現(xiàn)象和電能利用的同時(shí)遇到一些電接觸問題，并作過一些粗淺的研究。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段簡陋，研究的規(guī)模小，在理論上也不成熟。這時(shí)電接觸作為一門學(xué)科還是處在萌芽的時(shí)期。隨著電的應(yīng)用規(guī)模的發(fā)展，各種電機(jī)、電器、電工、電子、通訊設(shè)備大量涌現(xiàn)，這時(shí)電接觸的問題便開始突出。德國最早重視電接觸的研究，舉世聞名的學(xué)者霍爾姆(R．Holm)在西門子公司研究電接觸現(xiàn)象幾十年，取得了卓越的成就，他系統(tǒng)地總結(jié)了自己及前人的研究結(jié)果,10二、電接觸學(xué)科的形成與發(fā)展電接觸現(xiàn)象雖然已于1941年寫成了電接觸現(xiàn)象的第一部著作“電接觸技術(shù)物理”，標(biāo)志著電接觸學(xué)科已經(jīng)有了一個(gè)雛形。上世紀(jì)50年代以后，原子能、電子技術(shù)、空間技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。在新的條件下，出現(xiàn)了許多新的電接觸現(xiàn)象。由于系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度愈來愈高，電接觸與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾也就尖銳地暴露出來。因此，世界各發(fā)達(dá)國家開始重視電接觸現(xiàn)象的研究。美國在上世紀(jì)50年代初就成立了電接觸現(xiàn)象研究會(huì)并以電接觸學(xué)科奠基人霍爾姆的名字來命名。霍爾姆研究會(huì)每年召開一次國際性的學(xué)術(shù)討論會(huì)，出版文集，并舉辦講座。1958年，霍爾姆的著作“電接觸手冊”問世，標(biāo)志著電接觸作為一門獨(dú)立的學(xué)科已初步形成。由于世界各發(fā)達(dá)國家相繼重視電接觸現(xiàn)象的研究，紛紛成立學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，開展學(xué)術(shù)活動(dòng)。1967年，霍爾姆的著作“電接觸理論與應(yīng)用”出版,標(biāo)志著電接觸作為一門獨(dú)立學(xué)科已經(jīng)形成。11于1941年寫成了電接觸現(xiàn)象的第一部著作“電接觸技術(shù)物

1970年，霍爾姆逝世。在他逝世后的十多年里，不僅發(fā)達(dá)國家電接觸理論和應(yīng)用蓬勃發(fā)展，而且一些發(fā)展中國家也相繼重視電接觸的研究，許多國家在國內(nèi)成立國家一級(jí)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行各種形式的活動(dòng)。121970年，霍爾姆逝世。在他逝世后的十多年里，不僅發(fā)三、電接觸與電工產(chǎn)品可靠性間關(guān)系1、電工產(chǎn)品可靠性的重要性與發(fā)展概況電工產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。產(chǎn)品的質(zhì)量嚴(yán)格說起來應(yīng)包括其性能及可靠性兩個(gè)方面，一個(gè)產(chǎn)品盡管其性能指標(biāo)很高，但若其可靠性不高的話，就不能算是一個(gè)質(zhì)量好的產(chǎn)品。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性基本上取決于該系統(tǒng)所用元件的可靠性，同時(shí)，系統(tǒng)的可靠性一般隨系統(tǒng)中所用元件的數(shù)量增加而下降。隨著系統(tǒng)向大型化方向的發(fā)展，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)所用元件的數(shù)量越來越多，只要其中一個(gè)元件發(fā)生故障，一般就可導(dǎo)致整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，而可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)中所用的電氣元件的可靠性就顯得越來越重要。13三、電接觸與電工產(chǎn)品可靠性間關(guān)系1、電工產(chǎn)品可靠性的重要性與電力系統(tǒng)與高低壓配電系統(tǒng)中使用了各種大型電工設(shè)備，如果這些大型電工設(shè)備發(fā)生故障就導(dǎo)致電力系統(tǒng)與高低壓配電系統(tǒng)發(fā)生故障而造成停電事故，甚至?xí)＜肮╇娋€路和用電設(shè)備的安全，它所造成的經(jīng)濟(jì)損失將更為巨大。因此，開展各種電工產(chǎn)品的可靠性研究與應(yīng)用工作具有十分重要的意義?？煽啃约夹g(shù)是在第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一門新技術(shù)?？煽啃匝芯渴加诿绹?，在20世紀(jì)40年代美國發(fā)現(xiàn)軍用雷達(dá)處于故障狀態(tài)的時(shí)間高達(dá)84%，這就促使美國深入開展電子元件和電子設(shè)備的可靠性研究，并制訂了有關(guān)可靠性管理、可靠性設(shè)計(jì)及可靠性鑒定等方面的標(biāo)準(zhǔn)。到上世紀(jì)60年代，美國在電子產(chǎn)品的可靠性研究方面已逐漸成熟，這對(duì)提高美國電子產(chǎn)品的可靠性起了很大作用。美國從上世紀(jì)70年代起可靠性工作逐漸擴(kuò)展到機(jī)械、電力、電工及化工等工業(yè)部門。美國是世界上從事可靠性研究最早、范圍最廣、最有成效的國家。原蘇聯(lián)、日本、德、英、法等國在美國之后也積極開展了可靠性工作，并取得了不少進(jìn)展。14電力系統(tǒng)與高低壓配電系統(tǒng)中使用了各種大型2、電工產(chǎn)品可靠性與電接觸的關(guān)系據(jù)統(tǒng)計(jì)：繼電器的故障中的75%是接觸不良等電接觸故障；電接觸故障也是高壓斷路器故障的一個(gè)重要原因，例如2009年8月成都雙流機(jī)場的一臺(tái)高壓斷路器就是因電接觸故障使導(dǎo)電部分過熱而導(dǎo)致斷路器燒毀而造成停電事故；接觸器等電器產(chǎn)品常由于接觸不良而造成故障；電接觸故障也是航天器發(fā)生故障的一個(gè)重要原因。鑒于電工產(chǎn)品可靠性與電接觸有十分密切的關(guān)系，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)將兩者結(jié)合于2004年起開始組織舉辦電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議，取得了很好成效。（1）2004年舉辦了“第一屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”“第一屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”于2004年8月28日至8月31日在蘇州常熟召開，會(huì)議由中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)舉辦。152、電工產(chǎn)品可靠性與電接觸的關(guān)系15

開幕式由北京郵電大學(xué)章繼高教授主持，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)理事長、本屆國際會(huì)議主席陸儉國教授致歡迎詞，原機(jī)械工業(yè)部副部長、本屆會(huì)議名譽(yù)主席沈烈初教授在會(huì)上作了重要講話，常熟市市長王建康先生也在會(huì)上致詞，東道主常熟開關(guān)制造有限公司唐春潮董事長也在開幕式上作了發(fā)言。會(huì)議期間，國際電接觸顧問委員會(huì)（國際電接觸領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)組織）主席R.Timsit博士，中國工程院院士、清華大學(xué)韓英鐸教授等多位知名專家作了專題報(bào)告。會(huì)議期間還舉辦了電工新產(chǎn)品、新技術(shù)展覽會(huì)，有十多家國內(nèi)外的知名企業(yè)、研究單位展示了他們的研究成果,會(huì)后與會(huì)代表還到常熟開關(guān)制造有限公司、常熟富士電機(jī)有限公司及蘇州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)電器檢測所進(jìn)行了技術(shù)參觀。

16開幕式由北京郵電大學(xué)章繼高教授主持，

◆會(huì)議效果該國際會(huì)議得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍歡迎，并希望把“電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”辦成一個(gè)定期舉辦的、高水平的國際學(xué)術(shù)會(huì)議。78篇論文全部被ISTP收錄。IEEETC1對(duì)該國際會(huì)議進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道（報(bào)道原文見下頁）。17171818（2）2007年舉辦了“第二屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”“第二屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”于2007年3月28日至4月1日在廈門市召開，會(huì)議由中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)舉辦。開幕式由電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)副理事長章繼高教授主持，電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)理事長、本屆國際會(huì)議主席陸儉國教授致歡迎詞，原機(jī)械工業(yè)部副部長、本屆國際會(huì)議名譽(yù)主席陸燕蓀教授在會(huì)上作了重要講話，東道主廈門宏發(fā)電聲有限公司郭滿金總經(jīng)理作了發(fā)言。本屆會(huì)議比上屆會(huì)議取得了更大成功，得到了國內(nèi)外代表的高度評(píng)價(jià)，會(huì)議94篇論文全部被ISTP收錄，其中30篇論文被SCI收錄。（3）“第三屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議”于2009年10月28日至11月1日在溫州市召開，會(huì)議由中國電工19（2）2007年舉辦了“第二屆電工產(chǎn)品可靠性與電接工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)舉辦。雖然該會(huì)議在國際金融危機(jī)期間舉辦，但仍得到很大成功，國際上很多電接觸領(lǐng)域知名專家參加了會(huì)議，會(huì)議得到國內(nèi)外專家的一致好評(píng)，會(huì)后國內(nèi)外專家與代表還參觀了樂清市河北工大電器可靠性實(shí)驗(yàn)室，對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模與技術(shù)水平給予高度評(píng)價(jià)。會(huì)議107篇論文全部被ISTP收錄，其中一部分論文被電工技術(shù)學(xué)報(bào)選登。20工技術(shù)學(xué)會(huì)電工產(chǎn)品可靠性研究會(huì)舉辦。20四、電接觸領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)會(huì)議電接觸學(xué)術(shù)交流方面很活躍，涉及到電接觸的的國際學(xué)術(shù)會(huì)議主要有：IEEE霍姆電接觸會(huì)議（每年召開一次）今年10月將于美國召開第52屆霍姆電接觸會(huì)議。國際電接觸會(huì)議（1961年召開第一屆會(huì)議，1964年起每兩年召開一次）今年4月將于美國召開第25屆會(huì)議。電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會(huì)議(每兩年半召開一次)2004年8月舉辦第一屆會(huì)議2007年3月舉辦第二屆會(huì)議2009年10月舉辦第三屆會(huì)議第四屆電工產(chǎn)品可靠性電接觸國際會(huì)議將于2012年與第二十六屆國際電接觸會(huì)議聯(lián)合舉行。21四、電接觸領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)會(huì)議電接觸學(xué)術(shù)交流方面很活躍五、影響觸頭的關(guān)鍵因素1、觸頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)（特別是觸頭壓力）2、觸頭電路電壓及電流一般電壓高、電流大（如幾百伏及幾安倍以上）時(shí)電弧能量大，滅弧較困難，觸頭電磨損大，易熔焊；但電壓較低，電流較?。ㄈ?4伏及數(shù)百毫安以下）表面膜不易被擊穿或燒掉，易發(fā)生接觸不良故障，這種情況下電壓越低，電流越小就越易發(fā)生接觸不良故障。3、交流電路的功率因數(shù)功率因數(shù)大時(shí)，電感中貯能多，電弧不易熄滅，觸頭電磨損會(huì)增大。22五、影響觸頭的關(guān)鍵因素1、觸頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)（特別是觸頭4、直流電路的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)大時(shí)電感中貯能多，電弧不易熄滅，觸頭電磨損會(huì)增大。5、環(huán)境的影響如觸頭所處環(huán)境中有二氧化硫等污染物會(huì)使接觸電阻增加而可能導(dǎo)致電接觸故障，國家標(biāo)準(zhǔn)GB2424.11“電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程接觸點(diǎn)和連接件的二氧化硫試驗(yàn)導(dǎo)則”對(duì)觸頭在有二氧化硫的環(huán)境中的接觸電阻試驗(yàn)作出了規(guī)定。6、觸頭材料研制符合環(huán)保要求的耐電磨損、抗熔焊、接觸電阻小、在有污染的環(huán)境中保持接觸電阻穩(wěn)定的觸頭材料對(duì)保證電接觸具有良好性能是非常重要的。

234、直流電路的時(shí)間常數(shù)23六、電接觸與電工產(chǎn)品可靠性

工作的發(fā)展前景

我國電工產(chǎn)品可靠性