電流太大會導致金屬常接觸位置發生坑窪現象嗎?該如何解釋?

時間 2021-06-01 02:05:32

1樓:Patrick Zhang

這個問題很有意思,它與接觸電阻和材料熔焊有關,我來回答一下。

題主這個問題與電接觸材料的熔焊有關。

1)由於接觸電阻發熱使導電斑點及其附近的金屬熔化而焊接,這種情況下產生的熔焊稱為靜熔焊,多半發生在固定接觸連線或接觸力足夠大的閉合狀態觸頭中。

2)除接觸電阻的發熱外主要是因為觸頭振動或觸頭被電動力斥開產生電弧,電弧的高溫使觸頭表面金屬熔化和汽化,最後導致觸頭焊接,這種情況下的熔焊稱之為動熔焊,多半在觸頭閉合過程中或接觸力較小的閉合狀態觸頭中出現。

題主的問題應當屬於第一種,也即靜熔焊。

電接觸的熔焊一般都在短路電流或短時強脈衝電流通過時發生,因此熔焊現象與電流的關係很大。 靜熔焊和電流之間存在以下現象:

第一種現象,電接觸的靜熔焊

當電流由零逐漸增大;當電流達到一定數值時,電接觸的接觸表面斑點處,因為通過的電流大,造成斑點處發熱,其薄層金屬開始熔化,接觸電阻下降。這時如果切斷電流,分開後可以觀察到接觸表面有輕微的熔化痕跡。觸頭開始出現熔化現象的電流稱為觸頭開始熔化電流。

如果通過電接觸處的電流進一步增大,超過觸頭開始熔化電流的20%~30%,則斑點及其附近的金屬會有較大面積的熔化,接觸面開始焊接。這時要使電接觸面分開必須施加一定的拉力。

電接觸開始出現焊接現象的電流稱為開始焊接電流。如果通過觸頭的電流再繼續加大,則斑點附近熔化區向縱深發展,使電接觸材料的基底金屬熔為一體。電流越大,焊接越牢固,焊接力也越大,直至達到或接近接觸材料基底金屬的抗拉強度。

電接觸或者觸頭的開始熔化電流與電流通過的時間有關。我們看下圖:

圖1:電接觸材料的熔化電流與通電時間的關係

圖1所示為一對面接觸的銅接觸材料,視在接觸面積為50mm×15mm。

圖1的說明:由試驗曲線可以看出,當電流通過電接觸面的時間很短時(小於1 s),開始熔化的電流很大,並且t愈小,I的愈急劇變大。在通電時間超過1 s以後,開始熔化電流不再變化,表現出與通電時間無關的點。

注意:電接觸斑點及其附近熔化區的體積非常小(斑點n尺寸在零點幾公釐量級以內),其熱時間常數T很小(為微秒量級),通電時達到4倍熱時間常數的時間很短,溫度即接近穩定狀態。

由此可見當t> 1s後,開始熔化電流幾乎與通電時間無關。

第二種現象:伴隨著接觸面彈跳的電接觸動熔焊

由於此現象與觸頭電接觸有關。

觸頭在閉合過程中如果產生危險的機械振動,或者觸頭在閉合狀態因接觸力不夠,被觸頭電動力斥開,則在接觸面分離的期間將產生電弧。這時,使接觸表面金屬熔化和汽化的熱源有兩部分:一部分是觸頭體內因電流線收縮而引起的電阻損失,另一部分是觸頭體外與觸頭表面接觸的電弧產生的損耗。

這兩部分摜失相比,往往是後者大大高於前者。因此,觸頭靜、動熔焊的主要區別是:前者為電阻焊接,後者為電弧焊接。

因為觸頭的動熔焊與題主主題無關,故本處忽略。

熔焊現象的表述

電接觸在最後形成熔焊的過程中,由於熔化金屬被接觸面所施加的力擠壓展開,使實際接

觸面積大大增加,因而接觸電阻和接觸電動力都大大減小,熱損失也相應地大大減小。由於

垂直熔化面方向有很大的溫度梯度,同時熱傳導面積大大擴大,故熔化的金屬將迅速冷卻、

凝固,且具有高度的方向性,整個凝固過程往往只需幾毫秒。

電接觸焊接後需要拉開的力,稱之為電接觸(觸頭)焊接力。減小迴路電流、電壓、電接觸表面粗糙度及熔焊後焊接力,增大電接觸的尺寸、材料熔沸點,都有利於提高電接觸(觸頭)的抗熔焊能力。

電接觸的焊接力的大小受許多因素影響。

1)如接觸熔化區的熔化面積、熔化深度,熔化區中材料的成分、含量、分布等。電接觸焊接力等於焊接處金屬的抗拉強度乘以熔焊面積。金屬的抗拉強度越大,熔焊面積越大,則焊接力也越大。

2)熔焊面積與電接觸材料的電阻率和熔化溫度有關,材料的電阻率越大,接觸電阻越大,熱損失越大,熔焊面積也越大,而材料的熔化溫度越高,熔焊面越小。

因此,電接觸材料的焊接力一般隨材料的電阻率和抗拉強度的增大而增大,隨材料的熔化溫度增高而降低。

電接觸的磨損與材料轉移

電接觸材料和觸頭在分合電路過程中,觸頭間隙進行著劇烈的熱電物理過程,伴隨著金屬液橋、電弧和電火花放電等各種現象,金屬材料的金屬會發生轉移、噴濺和汽化,使觸頭材料損耗和變形。這種現象稱為電接觸和觸頭的電磨損,也稱為電接觸和觸頭的電腐蝕,是電接觸和觸頭磨損的主要形式。

電磨損決定了電接觸特別是觸頭的電壽命。

我們以觸頭的電磨損為例,簡單描述如下:

實驗表明,則當觸頭快要分離時,接觸斑點會逐漸由幾個減少到乙個,而後,最後乙個斑點的面積還會繼續減小。在斑點減少、導電面積減小的同時,接觸電阻和接觸電壓相應增大。當接觸電壓增大到等於觸頭材料的熔化電壓時,最後乙個接觸斑點附近的金屬將熔化成液體。

這時,若觸頭繼續分開,被熔化的金屬便拉成細絲,形成乙個高溫的液體金屬橋,簡稱金屬橋,如下圖所示:

圖2:電接觸和觸頭的熔焊金屬橋針刺和凹坑

我們由圖2看到,當電接觸的觸頭再繼續分開,金屬橋被拉細,接觸電壓繼續增高,當達到觸頭材料的沸騰電壓時,金屬橋突然斷裂氣化,橋被拉斷,結果在電接觸的一側的表面上形成一根針刺,另一側的表面上形成乙個凹坑。我們把它叫做電接觸材料的轉移,也叫做橋轉移。

一般來說,當液態金屬橋形成後,即使橋的幾何形狀是完全對稱的(中部收細,兩端漸粗),但其沿向的溫度分布也並不對稱。在一般情況下,橋的最高溫度不在橋的中部,而在靠近某個極面的地方。根據各種觸頭材料的實驗結果發現,大部分材料形成的金屬橋最高溫度均偏向陽極,少數材料也會偏向陰極。

正是金屬橋最高溫度的偏移方向,決定了橋最後斷開的位置。

如果橋最高溫度偏向陌極,則橋最後在陽極附近拉斷,橋拉斷後在陰極表面上形成針刺,陽極表面留下凹坑,這樣,材料就由陽極轉移到了陰極。與此相反,若橋最高溫度偏向陰極,橋最後在陰極附近斷開,在陽極形成針刺,陰極形成凹坑,材料便由陰極轉至陽極。

解決橋磨損的辦法

針對液態金屬橋溫度分布不對稱的特點,可用下列方法來限制橋轉移的體積。甚至達到轉移為零的理想狀態。

1)選用導熱性較好的材料作為橋最高溫度偏移邊的電接觸材料,組成「補償觸頭對」

在大多數情況下,橋的最高溫度均偏向於陽極,故可採用高導熱材料如銀或合金作為陽極電接觸材料或者觸頭材料,而用其他材料作為陰極電接觸或者觸頭材料,組成「電接觸和觸頭對」。

2)利用不同金屬材料形成的液橋直徑不同,適當選配「電接觸對或者觸頭對」,實現電接觸材料的正負轉移平衡

3)在某些金屬材料中加入其他金屬成分形成合金,當合金含量比例為某一數值時金屬橋的溫度成對稱分布。

對於某些金屬材料,當通過橋的電流增大到某一數值時'橋的溫度分布會由不對稱變為對稱。

4)在電接觸/觸頭迴路中附加電流迴路使觸頭總電流(等於工作電流加附加迴路電流)工作在零轉移的電流下。

電接觸還存在電弧磨損。限於篇幅,此處忽略。

總之,有關電接觸的知識量還是很豐富的。電接觸是一門完整的學科理論,其相關理論可參閱有關的書籍。

至於題主的問題,建議參閱《低壓電器技術手冊》,機械工業出版社出版,裡面有詳細介紹。也可參閱郭鳳儀的《電接觸理論及其應用技術》。

寫在最後:

注意看圖1,這組曲線與開關電器的熱穩定性有關。我們知道,開關電器的熱穩定性使用它的短時耐受電流來定義的,時間長度一般是1秒、3秒。1秒用於低壓,3秒一般用於高壓。

注意到這裡的1秒時間長度,與圖1直接相關。

開關電器的熱穩定性,包括2方面的內容,其一是觸頭導電杆部分的短路電流熱衝擊,其二就是觸頭材料的熱衝擊。

具體可參閱我的系列文章:

原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(1) - Patrick Zhang的文章 - 知乎

Patrick Zhang:原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(1)

原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(2) - Patrick Zhang的文章 - 知乎

Patrick Zhang:原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(2)

原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(3) - Patrick Zhang的文章 - 知乎

Patrick Zhang:原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(3)

原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(4) - Patrick Zhang的文章 - 知乎

Patrick Zhang:原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(4)

原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(5) - Patrick Zhang的文章 - 知乎

Patrick Zhang:原來如此——低壓電器觸頭在閉合前後發生的若干物理現象(5)

2樓:xiaowine

可能的,有些接觸點,表面不乾淨,電阻會明顯大一些,通大電流後,那個位置的溫度也會比別的地方高(假設還沒燒掉),又加上這種接觸點都是裸露在空氣中的,這樣溫度高又裸露在空氣中,被氧化的機率就大,以後氧化物脫落後就是乙個坑。

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