電接觸理論國內外研究

概況及其發展河北工業大學陸儉國2010年5月26日1目錄一、概述二、電接觸學科的形成與發展三、電接觸與電工產品可靠性間關系四、電接觸領域的國際學術會議五、影響觸頭性能的關鍵因素六、電接觸與電工產品可靠性的發展前景2一、概述1、電接觸的定義

“電接觸”是研究固態導體與固態導體、固態導體與液態導體接觸中的機械現象、電現象、熱現象、化學現象的一個專門學科。因此,“電接觸”的含義是指導體接觸過渡區產生的各種物理、化學現象。至于接觸導體本身，稱之為“接觸元件”。但是，在工程實際應用中，“電接觸”常指的是接觸導體的具體結構或接觸導體本身，稱為“電觸頭”,簡稱觸頭或觸點。32、電接觸的幾個基本概念（1）接觸電阻電接觸的基本任務是傳導電流。對它的基本要求是：接觸元件接觸時為良好的導電體，接觸元件分離后為良好的絕緣體。但是，任何經過精細加工的名義平面，實際上都是粗糙不平的表面。當這種名義平面相互接觸時，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，但在接觸內表中也只有少數的點(小面)實際發生了真正的接觸，這些實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電的氧化膜或其它種類的膜，因而在實際接觸小面內，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，電流實際上只能從這些更小的金屬接觸點中通過。為了區別在實際接觸的小面中有導電的和不導電的部分，因此把那些實際發生機械接觸5的小面稱為“機械接觸斑點”，簡稱“接觸斑點’，其中那些形成金屬接觸的更小面（實際傳導電流的面)稱為“導電斑點”。當電流通過兩接觸元件的接觸內表面時，電流將集中流過那些極小的導電斑點，因而在導電斑點附近，電流線必然發生收縮。由于電流線在導電斑點附近發生收縮，使電流流過的路徑增長，有效導電面積減小，因而出現局部的附加電阻，稱為‘收縮電阻’。如果電流通過的導電斑點間存在表面膜，則電流因通過極薄的膜時還會遇到另一附加電阻，稱為‘膜電阻”。這兩部分附加電阻在電路上是串聯相加的，這個附加的總電阻稱為接觸電阻。（2）導電斑點溫度當電流通過導體與導體的接觸處時，由于接觸電阻的存在，在電流收縮區兩端必然會出現一定的電壓降，這個電壓降稱為“接觸壓降”。由于接觸電阻產生焦耳熱使收縮6區的溫度升高，常超過收縮區外導體的溫度。導電斑點上的溫度超過收縮區外導體的溫度的數值稱之為斑點的“超溫”：

式中θ——導電斑點的超溫；

U——接觸壓降；——接觸導體材料的熱導體率與電阻率乘積的平均值。如果通過導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增大，導電斑點和收縮區內的溫度亦會相應增高，當溫度達到接觸導體材料的軟化點和熔化點時,導電斑點及其附近的金屬就會發生軟化和熔化。一定的導體材料，有一定的軟化和熔化溫度，其對應的接觸壓降稱為材料的“軟化電壓”和“熔化電壓”。73、電接觸的主要問題

固定接觸在工作中出現的主要問題是：接觸電阻、接觸溫升和接觸熔焊。滑動接觸除上述問題外，還有接觸元件之間的摩擦、潤滑和磨損。可分合接觸在工作期間常出現電弧，電弧會帶來嚴重的問題。4、電接觸在國民經濟中的地位和作用

任何電氣系統都必須將電的信號或能量從一個導體傳向另一個導體，而導體與導體的連接處電接觸常常是造成電信號或能量傳遞的主要障礙。如高、低壓開關電器，觸頭和滅孤系統是它的心臟，開關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、電工產品、儀表、電子產品，其性能的好壞在很大程度上決定于電接觸的性能。8二、電接觸學科的形成與發展電接觸現象雖然已有一百多年的研究歷史，但形成一門獨立的學科還是上世紀50年代以后的事。在此以前，只是少數人在研究電現象和電能利用的同時遇到一些電接觸問題，并作過一些粗淺的研究。由于當時的技術手段簡陋，研究的規模小，在理論上也不成熟。這時電接觸作為一門學科還是處在萌芽的時期。隨著電的應用規模的發展，各種電機、電器、電工、電子、通訊設備大量涌現，這時電接觸的問題便開始突出。德國最早重視電接觸的研究，舉世聞名的學者霍爾姆(R．Holm)在西門子公司研究電接觸現象幾十年，取得了卓越的成就，他系統地總結了自己及前人的研究結果,10

1970年，霍爾姆逝世。在他逝世后的十多年里，不僅發達國家電接觸理論和應用蓬勃發展，而且一些發展中國家也相繼重視電接觸的研究，許多國家在國內成立國家一級的學術機構，進行各種形式的活動。12電力系統與高低壓配電系統中使用了各種大型電工設備，如果這些大型電工設備發生故障就導致電力系統與高低壓配電系統發生故障而造成停電事故，甚至會危及供電線路和用電設備的安全，它所造成的經濟損失將更為巨大。因此，開展各種電工產品的可靠性研究與應用工作具有十分重要的意義。可靠性技術是在第二次世界大戰后發展起來的一門新技術。可靠性研究始于美國，在20世紀40年代美國發現軍用雷達處于故障狀態的時間高達84%，這就促使美國深入開展電子元件和電子設備的可靠性研究，并制訂了有關可靠性管理、可靠性設計及可靠性鑒定等方面的標準。到上世紀60年代，美國在電子產品的可靠性研究方面已逐漸成熟，這對提高美國電子產品的可靠性起了很大作用。美國從上世紀70年代起可靠性工作逐漸擴展到機械、電力、電工及化工等工業部門。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、日本、德、英、法等國在美國之后也積極開展了可靠性工作，并取得了不少進展。142、電工產品可靠性與電接觸的關系據統計：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重要原因，例如2009年8月成都雙流機場的一臺高壓斷路器就是因電接觸故障使導電部分過熱而導致斷路器燒毀而造成停電事故；接觸器等電器產品常由于接觸不良而造成故障；電接觸故障也是航天器發生故障的一個重要原因。鑒于電工產品可靠性與電接觸有十分密切的關系，中國電工技術學會電工產品可靠性研究會將兩者結合于2004年起開始組織舉辦電工產品可靠性與電接觸國際會議，取得了很好成效。（1）2004年舉辦了“第一屆電工產品可靠性與電接觸國際會議”“第一屆電工產品可靠性與電接觸國際會議”于2004年8月28日至8月31日在蘇州常熟召開，會議由中國電工技術學會電工產品可靠性研究會舉辦。15

開幕式由北京郵電大學章繼高教授主持，中國電工技術學會電工產品可靠性研究會理事長、本屆國際會議主席陸儉國教授致歡迎詞，原機械工業部副部長、本屆會議名譽主席沈烈初教授在會上作了重要講話，常熟市市長王建康先生也在會上致詞，東道主常熟開關制造有限公司唐春潮董事長也在開幕式上作了發言。會議期間，國際電接觸顧問委員會（國際電接觸領域權威學術組織）主席R.Timsit博士，中國工程院院士、清華大學韓英鐸教授等多位知名專家作了專題報告。會議期間還舉辦了電工新產品、新技術展覽會，有十多家國內外的知名企業、研究單位展示了他們的研究成果,會后與會代表還到常熟開關制造有限公司、常熟富士電機有限公司及蘇州高新技術產業開發區電器檢測所進行了技術參觀。

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◆會議效果該國際會議得到了國內外專家學者的普遍歡迎，并希望把“電工產品可靠性與電接觸國際會議”辦成一個定期舉辦的、高水平的國際學術會議。78篇論文全部被ISTP收錄。IEEETC1對該國際會議進行了詳細報道（報道原文見下頁）。1718工技術學會電工產品可靠性研究會舉辦。雖然該會議在國際金融危機期間舉辦，但仍得到很大成功，國際上很多電接觸領域知名專家參加了會議，會議得到國內外專家的一致好評，會后國內外專家與代表還參觀了樂清市河北工大電器可靠性實驗室，對該實驗室的規模與技術水平給予高度評價。會議107篇論文全部被ISTP收錄，其中一部分論文被電工技術學報選登。20四、電接觸領域的國際學術會議電接觸學術交流方面很活躍，涉及到電接觸的的國際學術會議主要有：IEEE霍姆電接觸會議（每年召開一次）今年10月將于美國召開第52屆霍姆電接觸會議。國際電接觸會議（1961年召開第一屆會議，1964年起每兩年召開一次）今年4月將于美國召開第25屆會議。電工產品可靠性與電接觸國際會議(每兩年半召開一次)2004年8月舉辦第一屆會議2007年3月舉辦第二屆會議2009年10月舉辦第三屆會議第四屆電工產品可靠性電接觸國際會議將于2012年與第二十六屆國際電接觸會議聯合舉行。214、直流電路的時間常數時間常數大時電感中貯能多，電弧不易熄滅，觸頭電磨損會增大。5、環境的影響如觸頭所處環境中有二氧化硫等污染物會使接觸電阻增加而可能導致電接觸故障，國家標準GB2424.11“電工電子產品基本環境試驗規程接觸點和連接件的二氧化硫試驗導則”對觸頭在有二氧化硫的環境中的接觸電阻試驗作出了規定。6、觸頭材料研制符合環保要求的耐電磨損、抗熔焊、接觸電阻小、在有污染的環境中保持接觸電阻穩定的觸頭材料對保證電接觸具有良好性能是非常重要的。

23六、電接觸與電工產品可靠性

工作的發展前景

我國電工產品可靠性研究雖然做了一些工作，取得了一些進展，但由于我國電工產品可靠性研究工作起步較