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電觸頭接觸電阻研究

文檔作者：李震彪張冠生文檔來源：福州大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年11月24日
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上一篇：電纜的絕緣電阻計算方法

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， ．接觸電阻，蹶性
電觸頭接觸電阻研究
福，ll大學 李震彪 張冠生7 奶
。 。一’ -
_ _ _
’
[摘要] 文論述了彤響接麓收縮電阻和表面瑛電阻的各種固素，介齠了撞麓過程中秘密電阻的畿客以爰防
止表面膜彤響接麓亙參茸的方法。
接觸電阻是指兩個接觸元件在接觸部位產(chǎn)
生的電阻，它是電接觸材料最基本的性能參數(shù)
之一。對于可分合的電器觸頭，要求觸頭可靠分
斷與閉合。影響可靠分斷的主要因素有觸頭問
的熱熔焊現(xiàn)象與觸頭電弧的持續(xù)燃燒；影響可
靠閉合的主要因素是觸頭彈跳及接觸電阻的不
穩(wěn)定。因此，接觸電阻與熔焊特性可以作為評價
觸頭工作可靠性眾多因素中的兩個基本參數(shù)。
特別對于具有微小接觸壓力的低電壓、小電流
用觸點，接觸電阻的升高與不穩(wěn)定很容易引起
電器故障 接觸電阻Rc是收縮電阻 與表面
膜電阻R一之和。
一
、接觸收縮電阻Rs
接觸斑點ao的大小及數(shù)目、斑點的形狀、
接觸形式、接觸溫升及材料性質(zhì)都影響收縮電
阻 的大小。
l_斑點半徑ao
假如接觸斑點為圓形，由Rs= (pd為材
料電阻率)可知．a(chǎn)日增大則 減小。若兩接觸元
件材料不同，則有：
凰一 士盥 (1)
q 日n
若在接觸面上有N個單獨的接觸點并聯(lián)，
則其收縮電阻 為：
一 ÷ (2)
‘
．
?
由上兩式可知，收縮電阻與實際接觸面積
的平方根成反比，而與材料電阻率成正比。
觸頭接觸斑點ao的大小是由接觸壓力F、
材料硬度H及彈性模量E決定的，當接觸表面
一l2 一
發(fā)生彈性變形時，按赫茲彈性變形理論有：
?！?-_ _ ● _ _ _ ^● - 。_ ● 。。。。。。。。_ 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！?。。- 。- ●。_ - 一
一√導 c擊+ c擊+寺， cs，
式中fI'n——兩按艟球面半徑
El，E。— — 材料彈性模量
當兩種同樣的材料進行平面與球匭接觸
時，上式可以簡化為：
／
當接觸表面發(fā)生塑性變形時有a0=√素，
因此塑性變形時礎 音，彈性變形時礎oc音。
實際接觸時往往同時存在彈性與塑性兩種變
形，這時總體接觸半徑可以寫成ao一 a +a5E
(a 為塑性變形半徑，a 為彈性變形半徑)。圖l
為接觸收縮電阻與壓力的關系曲線
由圖1可知，壓力增加、接觸球面半徑r增
大或材料硬度減小都將使Rs減小。實際的接觸
面上分散著許多微小的接觸點，這些微小接觸
點并聯(lián)后總的接觸收縮電阻要比與它們面積之
和相等的單一接觸面的收縮電阻?。?71一l倍
(n為實際斑點總數(shù))。
2．接j 形式與斑點形狀
觸頭的接觸有點、線、面三種形式。當為點
接觸時
屆一 (FO ’ (5)
式中n一0．33～0．40
k —— 常數(shù)，Y— — 接點球面半徑-
當為線接觸時
島一 z( )一 (6)
式中n一0．40～O．55
電氣開關(擒92№3)
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言0·
雪
曩
罄
囂
l：
端O
接■ 壓力F )
(al
接■壓力F(B)
(b)
圖】收縮皂阻與接觸壓力的關系
a——材抖Au~g40 b——材料Fd|rl8
1．tlV土2~5kg／mmz 2．HV一178kg／m~z
kz— — 常數(shù)，L— — 接觸線長度
當為面接觸時
一 ( ，一‘ (7)
式中n=0．40～0，60
ks— — 常數(shù)，A— — 視在接觸面積
上面公式的前提條件是接觸斑點的形狀為
半徑aⅡ的圓，而實際接觸中這種情況是很少
的。實驗表明：接觸斑點的形狀一般為橢圓形，
設橢圓的長軸為 ，短軸為B，定義形狀因數(shù)
f(v)：蕞 導，其中 —ua，B=a／u，形狀因數(shù)
對收縮電阻的影響見圖2，u增大會使 減小。
l
富
0．
圍2 導電斑點形狀因數(shù)函數(shù)f(u)
3．溫升0對 的影響
按 ； 及 =帥(1+ 0)可知，溫升0
提高會使材料電阻率 增大，有使 增大的
趨勢；但另一方面0增高，材料變軟使ao增大，
又有使 減小的趨勢。實際工作中0升高時
Rs是增大還是減小取決于上述兩種順向的強
弱。
接■ 電漉I(mA)
(a)
圖3 Rs與I、u的關暑；
一13 —
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電路電流、接觸壓降對Rs的影響本質(zhì)上也
可以歸結(jié)為溫升0對Rs的影響，見圖3。圖3a
說明Pdlrl 8合金在一定的接觸壓力和熱平衡
狀態(tài)下．靜態(tài)收縮電阻Rs隨電流增加而逐漸下
降并趨于穩(wěn)定。圖3b說明在恒定電流下純銅
材料的收縮電阻Rs隨溫升0的增高而增高，當
增高到材料的軟化壓降u 時，接觸面積急劇增
長，導致Rs降低。這時金屬的結(jié)晶點陣開始松
馳，如果由電流進一步加熱，Ⅲ 其收縮電阻再度
增加，當接觸壓降達到材料熔化壓降u 時，接
觸表面熔化，接觸斑點ao再次大幅度增加，Rs
減小。
金屬的軟化壓降和熔化壓降分別對應金屬
的再結(jié)晶溫度和熔點，見表l。
表1 幾種金屬的再結(jié)晶溫度、熔點及相應的軟
化、熔化電壓降
金 再結(jié) 晶 熔 ft 金 再結(jié) 晶 熔 化
屬 度 電壓障 溫刪電壓障 屬 丑度 電壓降 阻度 電壓目
(℃) (v) (C (v) (C ) {V) (C 】 (V)
鋁 l50 0 l 658l 0．3 銀 i5O 0．09 960 0．3．5
鐵 500 o-2l l53d 0．6 鉑 540 0．25 l77 D 7
鑲 52O 0．22 I 45目O．65 盤 IO0 0．08 1063 0．45
鋼 l9O o．1 lO8a 0．43 鎘， —— — 82i 0．15
{
鉛 900 0．3 28Od 0．9 鋅 l70 0 1 4l9 0．17
鵠 l00C 0．4 ~4oo[L 0
圖3a和3b的區(qū)別在于，在達到金屬軟化
點以前，當溫度升高時，Pdlrl8的Rs下降．而純
銅的Rs卻升高，這是因為前者的ao增大占優(yōu)
勢，后者的 增大占優(yōu)勢。因而不同的材料，收
縮電阻Rs隨0的變化規(guī)律可能不同。
二、膜電阻R ，
膜電阻是接觸元件在接觸表面上的粘附陂
和表面晦暗膜及其它薄膜所產(chǎn)生的電阻，當接
觸壓力較大時，由于薄膜被擠碎，這時的接觸電
阻主要為收縮電阻Rs；當接觸壓力很小時，接
觸電阻Rc由Rs和R 共同作用，且受膜電阻
R 影響較大
1．膜的種類
按膜的成因和性質(zhì)，表面膜可分為以下幾
類。
一lt 一 ．
(1)粘附膜如由灰塵或其它固體微粒形
成的塵埃膜，由氣體分子或水分子在接觸表面
上形成的吸附膜等。
(2)無機膜觸頭暴露在空氣中時，由于化
學腐蝕作用在金屬表面形成各種化合物的薄
膜。在潮濕的空氣中，由于電解質(zhì)的怍用，不同
金屑間發(fā)生電化學腐蝕 使接觸表筒積存下銹
蝕物，這些金屬腐鑊的產(chǎn)物稱為無l帆膜。硫化
物、氧化物、碳化物是無機膜自碘型代表。銀是
金屬中最易硫化的元素，cu與H2S、SO 等硫化
氣體也能激烈反應生成C'uS、Cu2S薄膜。表2
為硫化銀薄膜的色調(diào)與厚度。 ，
表2 硫化銀膜的色調(diào)與厚度
色 調(diào) 卑度(^) 色 調(diào) 岸度(^
光亮銀灰色 O～ 50 銀青樹紅 650～ O
拍 黑色 5O～ 1．5o 銀青青紫 800～ looo
紅褐色 l50～25o 紅 觜 l000～ l2Oo
觜柑龜 250～300 蒜 青 l2O0～ l400
青 色 30O～500 蒜 觜 > l400
銀 青 500～65O
(3)有機膜在有機蒸汽的作用下，觸頭表
面會形成一種粉狀的有機聚合物．這種不導電
的薄膜即為有機膜。有機膜的形成有兩種類型，
一種是有機蒸汽在金屬表面自然沉積而形成的
靜態(tài)聚合物膜．另一種是觸頭間的相互摩擦或
由于電弧的作用，使有機蒸汽在接觸表面上生
成高分子有機膜。高分子聚合物膜的形成和觸
頭材料的化學活性有很大關系，鉑族金屑很容
易形成這類薄膜，最嚴重的是鈀，因為它具有催
化作用。有些繼電器為了防止觸頭表面的有機
膜污染，盡量避免采用鉑和鈀做觸頭材料。
2．膜厚
薄膜電阻的大小不僅和膜的種類有關，而
且還與膜的厚度有關 薄膜愈厚，電阻愈大。如
圖4所示。
薄膜的生長不僅與污染時間有關，還和溫
度有關。金屬表面的氧化膜生長速度因低溫、中
溫而異，見圖 。對放置時間而言，在低溫下按
對數(shù)規(guī)律生長．中溫時呈直線或三次方規(guī)律生
長，高溫時發(fā)展成呈拋物線規(guī)律生長。這種表面
電氣開關(1992 哪)
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膜很厚 幾百A以上)時顯示絕緣性；而非常薄
(幾十^)時，由于隧道效應呈現(xiàn)導電性；中等厚
度時(幾百^)呈現(xiàn)半導體性或具有相當大的電
阻。實際運行中，由于接觸壓力及觸頭開臺操作
善
蟹
誼
#
目
島
董
尊5
中的接觸滑動或滾動會破壞表面膜的完整性，
因此經(jīng)常操作的電觸頭，其表面膜一般不會導
致電接觸呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。
l0 l00 l0∞
嗔的厚睦(^)
(a)
琨場曩露時問‘月)
實驗室曩露時問‘h)
圖4 膜厚對接觸電阻的影響
a—— Ag和Pt‘ g臺盒的接II電阻與薄嗔厚度的關系b—— AZ，s腐蝕幞厚度與曝露時間的關系
1．在宴驗室條件下的的H 中■露 2在宴驗室條件下的堿化氣中曝蓐
圖5 裁他啖的生長與放置時間的美系
[丈1]指出：當存在表面膜時，接觸溫升
與接觸電阻的關系可以表示為：
島 Roe
通電電流與接觸電阻的關系為：
島= 口 e ‘
式中n、0— — 常數(shù)
Ro,R 一接觸部位 度為0"C，I一0時的
’_ - ， r．
電氣開蓖(攙啦 黲
接觸電阻
0——接觸溫度
1— — 測定電流
由上式可知，當存在表面膜時0增高或I
增大會導致Rc下降。
接觸電阻隨操作狀數(shù)的增加而變化，在觸
頭開閉操作的過程中，一方面舊膜被破壞降低
了接觸電阻；另一方面，由于觸頭間的多次撞擊
使觸頭材料的內(nèi)部晶格發(fā)生畸變，造成內(nèi)部電
場不均勻，從而導致電子散射增加，增大了材料
自身電阻率；同時在帶載操作時接觸溫升增高，
也可能形成新的表面膜增大接觸電阻。實際接
觸電阻與操作次數(shù)的關系取決于上述兩種傾向
的總和，如圖6所示。
3 膜導電機理
(1)隧道效應近代物理指出，電子具有
“波”“?！倍嘈浴０唇?jīng)典理論，一層絕緣膜(如
Ag s)不論其厚度如何，電子都不能穿過它而導
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10 l00 j000 10000 l 00000
開閉衣敦
5
世
坩
罾
囤6 接觸電阻與攆作次數(shù)的關系
電。但根據(jù)量子力學理論，電子作為波的性質(zhì)卻 主要有電擊穿和熱擊穿兩種假說
能透過薄膜而導電，這種效應叫“隧道效應”。
當介于接觸界面的表面膜在幾十^左右
時，其膜電阻可由下式表示：
： 三一 10 ^
o (I+ )
式中A=7_32×10 S(1一菇
’N
、 L 265×l06( 一 )
o
其中中．— — 金屬的功函數(shù)
s— — 表面膜厚度
CS— — 表面膜隧道電阻率
當絕緣膜程厚時，電子漣遭透過膜的機率
非常小 故實際上可以忽略隧道效應導電
(2)熔解導電(Frittin8) 表面膜較薄(50^
以上)時，由隧道效應導電；表面膜較厚(50^以
上)時，膜龜阻是外加電壓的函數(shù)，當電壓增加
到一定數(shù)值，表面膜被擊穿，膜電阻急劇下降，
這種現(xiàn)象口q作膜的熔解(Frittins) 膜擊穿所需
的電場一般為lO。V／cm，如圖7所示。當膜擊穿
后的接觸壓降在0．3～0．5V數(shù)量級時，稱為A
類熔解或金屬屑檢波效應；當接觸壓降在0．01
～ O．02V的數(shù)量級時，稱為B類熔解。到目前
為止，絕緣暗膜熔解過程的機理尚不十分清楚，
一l6 一 。
I 1
一— — — —
0
藍
，
電壓u cv】
圍7 具有暗嗔的cu—Au交叉棒接觸
的R—u特性(屬于A類熔解)
三、動態(tài)接觸電阻
電器觸頭在閉合過程中，由于存在機械碰
撞，往往出現(xiàn)觸頭彈躔與接觸電阻時大時小的
現(xiàn)象，即觸頭在閉合時經(jīng)歷了“彈跳一動態(tài)接觸
電阻一靜態(tài)接觸電阻 的全過程。圖8是觸頭
閉合動態(tài)過程示意圖，其中tt為觸頭彈跳時
電氣開關(19g2№
次
O
a
6 農(nóng)致
閉
阡
I
， ．
O
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間，即動、靜觸頭從第一次閉合起到觸頭彈跳結(jié)
束為止的時間間隔，h 為動態(tài)接觸電阻劇烈波
動的延續(xù)時間，k 為動態(tài)接觸電阻劇烈波動后
進入較輕微波動的延續(xù)時間，h 為t一 與t—t
之和。通過試驗制得JZ14繼電器的彈跳時間tT
在2～lOms之間的約有75 ，其中3ms以下
的有l(wèi)0 ；10～ l2ms的約占20 ，少數(shù)達到
l2～18ms。觸頭彈跳次數(shù)111t有2～5次的占
l2 ，6～16次的占72 ，其余在19～35次范
圍內(nèi)：
動態(tài)接觸電阻的延續(xù)時間tDw是從彈跳過
程結(jié)束起到靜態(tài)接觸電阻開始時的時間間隔，
它是動態(tài)接觸電阻波動過程所經(jīng)歷的時間。
JZ14繼電器的tDw值在幾到幾十m 的占80 ，
其余為lOOms至200ms以上，個別達到375和
439ms。有關文獻指出，動態(tài)接觸電阻值是實際
靜態(tài)接觸電阻的幾十倍 幾百倍、甚至超過千
倍。
TV
。。一
．
，
． 1 ?。
l
國8 觸頭閉臺時的動態(tài)接觸特性
a——觸 閉臺動意過程示意圈 b— —觸頭閉臺曲卷過程實羽圈
四、觸頭材料與接觸電阻 其
臺金與金 元素及其臺金是
在輕、弱負載用電器觸頭中，接觸電阻的大 輕
、弱負載電器中常用的觸頭材料。為了消除鉑
小是影響電器工作可靠性的主要因素。 系元素在工作中易形成聚臺物和活化以及質(zhì)地
電氣開美(I蚋口№a) 17—
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E
3
*
蠱
刪
過軟的缺點，實際應用中常常使用其臺金，如 加入其它元素后材料性能的變化
。
Pc— Pd，Pd—Ag，Au—Pd等。圖9為Pt及pd中
稚加金屬的重量( )
(a)
E
E
能
碰
囂加盒 器重量‘ ’ 瀑加量(
I圭】g P E、Pd中添加其它元素后材料性能的變化
— — 在鉑中舔加的盒租量及其固有電阻的_空化b——在鈾中器加的盒鼠量及#硬度值的變化
—
— 在鈀中箍加備種金屬時的屯阻變北d—— 耀加元素對抗張強度趵影響e——材料與膜的關系
在Pc或Pd中添入其它元素后，材料的綜 要求的前提下
，對添加元索的含量及種類要有
合性能(如硬度、耐污染抗腐蝕性)可能有所提
高。但由圖9可知，潦入其它元素后，材料電阻
I
率 會相應增大。因此，在保證綜合性能滿足
一l8 一
選擇。
另外，材料的制造工藝也影響到材料的電
阻率。對于燒結(jié)法制成的材料，其接觸電阻明顯
電氣開關(Jt992N~3)
一
。 一
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．微蜮采，．電器 ．復展
迎接微電子技術’
對傳統(tǒng)電器行業(yè)的挑戰(zhàn)
福州大學電氣系博士生墮‘
[摘要]術文從新技術革命的角度探討了鬣電子技術對侍境電器行業(yè)現(xiàn)狀殛將來發(fā)展的影響．闡述了素皂于
技術對電器的分析、設計、t薯遺、瞥理、新品種開jjE以殛電器理論發(fā)展等各個瓴域所產(chǎn)生的巨太作用殛蔭量．量后奉
文提出了如何迎接傲電子技術的挑戰(zhàn)的粗淺看法。本文的目嶺在于引起電器局仁對傳娩電器行業(yè)的危帆毒以殛對
鬣電子技術的重視。
一
、引言
7O年代以來，微電子技術得到了突飛猛進
的發(fā)展，計算機與微處理機廣泛普及，由于其廣
泛的影響性已滲透到社會和人們生活的各個領
域，使許多傳統(tǒng)行業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變革。微電子
技術是新技術革命的主要標志．可以說．誰能在
行業(yè)發(fā)展上把握了微電子技術的應用前景，誰
就能把握行業(yè)的發(fā)展方向，就會一躍而位居行
業(yè)之首。低壓電器是一切動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)
的重要基礎件，它的應用范圍十分廣泛。傳統(tǒng)的
低壓電器主要以電氣— — 機城原理為基礎．產(chǎn)
品涉及到電、磁、熱、力、物理和化學等許多學
科，這給電器理論的發(fā)展造成了很大困難。在新
技術革命浪潮的沖擊下，依靠微電子技術的力
量，低壓電器的面貌煥然一新，低壓電器行業(yè)也
在發(fā)生著變革。微電子技術對行業(yè)的知識結(jié)構(gòu)，
技術結(jié)構(gòu)提出了新的要求。電器行業(yè)應該如何
迎接微電子技術的挑戰(zhàn)．把握自己的發(fā)展方向，
改變電器行業(yè)的落后狀態(tài)，這是擺在我們面前
的一個重要課題。
二、電器發(fā)展的動因
低壓電器的發(fā)展有其內(nèi)都與外部的原因，
首先電器作為用電系統(tǒng)配套的重要基礎件，是
與其服務的對象密切相關系的。生產(chǎn)和生活中
所有需要對能量、信息進行傳遞、控制、分配的
系統(tǒng)，如電岡系統(tǒng)、動力拖動自動化系統(tǒng)、通訊
系統(tǒng)及機械加工系統(tǒng)等的發(fā)展對低壓電器元件
及低壓電器成套裝置提出了新的技術經(jīng)濟指標
與原有電器之間存在著不相適應的矛盾，這是
電器發(fā)展的根本動力。由于電器的應用范圍十
分廣泛，因此社會需求的每一個發(fā)展，都會在局
都或整體上對電器提出新的要求。社會需求是
無止境的，因而電器的發(fā)展也是無止境的 電器
是應系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，電器發(fā)展的這一特
征往往使電器落后于實際需求，一般總是處于
不相適應的狀態(tài)，但僅有此需求并不能立即促
進電器的發(fā)展，只有通過對電器基礎理論的研
索(如Pd、Pt、Mo等)與逆磁性元素(如cu、Ag、
Au、Cd、In等)組成臺金可使其磁化率接近于
零，提高觸頭抗污染能力。關于這方面的工作尚
待進一步深入研究。
參考文獻
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E2]荊先曙．電接觸材辯的研究和應用．國防工業(yè)出
版社．1979． ‘
[3]程扎椿．電掛觸理論殛應用．{9L槭工業(yè)出版社
一2O —
jU 8-
[^]張冠生．電器理論基礎(I垡訂本)．機械工業(yè)出】；匠
社，1989．
[5]林品 張冠生．繼電器的動態(tài)接觸特性研究．
1990年福建省電機電器學術年會
[6]林晶張冠生．觸頭表面磨損狀況與觸頭動態(tài)
接畦特性的研究．199i年

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