1、1电接触理论国内外研究概况及其发展河北工业大学陆俭国2010年5月26日2目 录n一、概述n二、电接触学科的形成与发展n三、电接触与电工产品可靠性间关系n四、电接触领域的国际学术会议n五、影响触头性能的关键因素n六、电接触与电工产品可靠性的发展前景3一、概述一、概述1、电接触的定义 “电接触”是研究固态导体与固态导体、固态导体与液态导体接触中的机械现象、电现象、热现象、化学现象的一个专门学科。因此,“电接触”的含义是指导体接触过渡区产生的各种物理、化学现象。至于接触导体本身，称之为“接触元件”。但是，在工程实际应用中，“电接触”常指的是接触导体的具体结构或接触导体本身，称为“电触头”, 简称触
2、头或触点。4n 工程应用中的电接触，其具体结构型式很多，但从接触工作的原理上讲只有三类：固定接触，滑动接触和可分合的接触。n 固定接触在强电中有母线的连接或铆接、输电线连接器、电缆头等，在弱电中有电子设备和仪器中的插接件、连接器、塞子和插头等。n 滑动接触有开关中的滑动触头、变阻器的滑动头、电机的电刷与滑环、电力机车的馈电弓与馈电线等。n 可分合接触有各种开关电器和继电器的触头。5n2、电接触的几个基本概念n（1）接触电阻）接触电阻n 电接触的基本任务是传导电流。对它的基本要求是：接触元件接触时为良好的导电体，接触元件分离后为良好的绝缘体。n 但是，任何经过精细加工的名义平面，实际上都是粗糙不
3、平的表面。当这种名义平面相互接触时，即使外加很大的接触力（如弹簧力、螺栓力）使两接触面相互压紧，但在接触内表中也只有少数的点(小面)实际发生了真正的接触，这些实际接触的小面承受着全部的外加接触力。由于金属表面一般都覆盖着不导电的氧化膜或其它种类的膜，因而在实际接触小面内，只有少部分膜被压破的地方才能形成金属与金属的直接接触，电流实际上只能从这些更小的金属接触点中通过。为了区别在实际接触的小面中有导电的和不导电的部分，因此把那些实际发生机械接触 6n的小面称为“机械接触斑点”，简称“接触斑点，其中那些形成金属接触的更小面（实际传导电流的面)称为“导电斑点”。n 当电流通过两接触元件的接触内表面时
4、，电流将集中流过那些极小的导电斑点，因而在导电斑点附近，电流线必然发生收缩。由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增长，有效导电面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为收缩电阻。如果电流通过的导电斑点间存在表面膜，则电流因通过极薄的膜时还会遇到另一附加电阻，称为膜电阻”。这两部分附加电阻在电路上是串联相加的，这个附加的总电阻称为接触电阻。n（2）导电斑点温度）导电斑点温度n 当电流通过导体与导体的接触处时，由于接触电阻的存在，在电流收缩区两端必然会出现一定的电压降，这个电压降称为“接触压降”。由于接触电阻产生焦耳热使收缩7 区的温度升高，常超过收缩区外导体的温度。导电斑点上的温度超过
5、收缩区外导体的温度的数值称之为斑点的“超温”： 式中 导电斑点的超温； U 接触压降； 接触导体材料的热导体率与电阻率乘积的 平均值。 如果通过导体接触处的电流增大，或者接触电阻增高，则接触压降必然相应增大，导电斑点和收缩区内的温度亦会相应增高，当温度达到接触导体材料的软化点和熔化点时,导电斑点及其附近的金属就会发生软化和熔化。一定的导体材料，有一定的软化和熔化温度，其对应的接触压降称为材料的“软化电压”和“熔化电压”。2U88n3、电接触的主要问题、电接触的主要问题n 固定接触在工作中出现的主要问题是：接触电阻、接触温升和接触熔焊。滑动接触除上述问题外，还有接触元件之间的摩擦、润滑和磨损。可
6、分合接触在工作期间常出现电弧，电弧会带来严重的问题。n4、电接触在国民经济中的地位和作用、电接触在国民经济中的地位和作用 任何电气系统都必须将电的信号或能量从一个导体传向另一个导体，而导体与导体的连接处电接触常常是造成电信号或能量传递的主要障碍。 如高、低压开关电器，触头和灭孤系统是它的心脏，开关性能的好坏决定于触头和灭弧的性能。其它含有电接触的电机、电工产品、仪表、电子产品，其性能的好坏在很大程度上决定于电接触的性能。9 现代化的大型复杂电气系统，例如大型电力系统，自动控制系统，通讯系统等，其中包含的电接触数目常在数十万个以上，如果其中的一个或几个工作失效，则将导致整个系统工作紊乱，甚至全部
7、瘫痪，它所造成的严重后果将是无法估量的。 今天，我国超高压输电系统所用的电器，核聚变工程中的保护开关，航天器上的继电器，大型电子计算机中的连接器，现代化轧钢系统中的电器设备等等，都是电接触在工程中的实际应用。所以电接触好坏对国民经济有重要作用。10二、电接触学科的形成与发展二、电接触学科的形成与发展 电接触现象虽然已有一百多年的研究历史，但形成一门独立的学科还是上世纪50年代以后的事。 在此以前，只是少数人在研究电现象和电能利用的同时遇到一些电接触问题，并作过一些粗浅的研究。由于当时的技术手段简陋，研究的规模小，在理论上也不成熟。这时电接触作为一门学科还是处在萌芽的时期。随着电的应用规模的发展
8、，各种电机、电器、电工、电子、通讯设备大量涌现，这时电接触的问题便开始突出。德国最早重视电接触的研究，举世闻名的学者霍尔姆 (RHolm) 在西门子公司研究电接触现象几十年，取得了卓越的成就，他系统地总结了自己及前人的研究结果,11 于1941年写成了电接触现象的第一部著作“电接触技术物理”，标志着电接触学科已经有了一个雏形。上世纪50年代以后，原子能、电子技术、空间技术得到了迅速的发展。在新的条件下，出现了许多新的电接触现象。由于系统的规模和复杂程度愈来愈高，电接触与系统可靠性之间的矛盾也就尖锐地暴露出来。因此，世界各发达国家开始重视电接触现象的研究。美国在上世纪50年代初就成立了电接触现象
9、研究会并以电接触学科奠基人霍尔姆的名字来命名。霍尔姆研究会每年召开一次国际性的学术讨论会，出版文集，并举办讲座。1958年，霍尔姆的著作“电接触手册”问世，标志着电接触作为一门独立的学科已初步形成。 由于世界各发达国家相继重视电接触现象的研究，纷纷成立学术机构，开展学术活动。1967年，霍尔姆的著作“电接触理论与应用”出版,标志着电接触作为一门独立学科已经形成。12 1970年，霍尔姆逝世。在他逝世后的十多年里，不仅发达国家电接触理论和应用蓬勃发展，而且一些发展中国家也相继重视电接触的研究，许多国家在国内成立国家一级的学术机构，进行各种形式的活动。13三、电接触与电工产品可靠性间关系三、电接触
10、与电工产品可靠性间关系n1、电工产品可靠性的重要性与发展概况、电工产品可靠性的重要性与发展概况 电工产品的可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力，产品的可靠性是产品质量的一个重要组成部分。产品的质量严格说起来应包括其性能及可靠性两个方面，一个产品尽管其性能指标很高，但若其可靠性不高的话，就不能算是一个质量好的产品。一个自动控制系统的可靠性基本上取决于该系统所用元件的可靠性，同时，系统的可靠性一般随系统中所用元件的数量增加而下降。随着系统向大型化方向的发展，一个自动控制系统所用元件的数量越来越多，只要其中一个元件发生故障，一般就可导致整个自动控制系统发生故障，而可能造成重大
11、经济损失，所以自动控制系统中所用的电气元件的可靠性就显得越来越重要。14 电力系统与高低压配电系统中使用了各种大型电工设备，如果这些大型电工设备发生故障就导致电力系统与高低压配电系统发生故障而造成停电事故，甚至会危及供电线路和用电设备的安全，它所造成的经济损失将更为巨大。因此，开展各种电工产品的可靠性研究与应用工作具有十分重要的意义。 可靠性技术是在第二次世界大战后发展起来的一门新技术。可靠性研究始于美国，在20世纪40年代美国发现军用雷达处于故障状态的时间高达84%，这就促使美国深入开展电子元件和电子设备的可靠性研究，并制订了有关可靠性管理、可靠性设计及可靠性鉴定等方面的标准。 到上世纪60
12、年代，美国在电子产品的可靠性研究方面已逐渐成熟，这对提高美国电子产品的可靠性起了很大作用。美国从上世纪70年代起可靠性工作逐渐扩展到机械、电力、电工及化工等工业部门。美国是世界上从事可靠性研究最早、范围最广、最有成效的国家。原苏联、日本、德、英、法等国在美国之后也积极开展了可靠性工作，并取得了不少进展。15n2、电工产品可靠性与电接触的关系、电工产品可靠性与电接触的关系 据统计：继电器的故障中的75%是接触不良等电接触故障； 电接触故障也是高压断路器故障的一个重要原因，例如2009年8月成都双流机场的一台高压断路器就是因电接触故障使导电部分过热而导致断路器烧毁而造成停电事故； 接触器等电器产品
13、常由于接触不良而造成故障； 电接触故障也是航天器发生故障的一个重要原因。 鉴于电工产品可靠性与电接触有十分密切的关系，中国电工技术学会电工产品可靠性研究会将两者结合于2004年起开始组织举办电工产品可靠性与电接触国际会议，取得了很好成效。 （1）2004年举办了 “第一届电工产品可靠性与电接触国际会议 ” “第一届电工产品可靠性与电接触国际会议”于2004年8月28日至8月31日在苏州常熟召开，会议由中国电工技术学会电工产品可靠性研究会举办。 16 开幕式由北京邮电大学章继高教授主持，中国电工技术学会电工产品可靠性研究会理事长、本届国际会议主席陆俭国教授致欢迎词，原机械工业部副部长、本届会议名
14、誉主席沈烈初教授在会上作了重要讲话，常熟市市长王建康先生也在会上致词，东道主常熟开关制造有限公司唐春潮董事长也在开幕式上作了发言。 会议期间，国际电接触顾问委员会（国际电接触领域权威学术组织）主席R. Timsit博士，中国工程院院士、清华大学韩英铎教授等多位知名专家作了专题报告。 会议期间还举办了电工新产品、新技术展览会，有十多家国内外的知名企业、研究单位展示了他们的研究成果,会后与会代表还到常熟开关制造有限公司、常熟富士电机有限公司及苏州高新技术产业开发区电器检测所进行了技术参观。 17 会议效果 该国际会议得到了国内外专家学者的普遍欢迎，并希望把“电工产品可靠性与电接触国际会议”办成一个
15、定期举办的、高水平的国际学术会议。 78篇论文全部被ISTP收录。 IEEE TC1对该国际会议进行了详细报道（报道原文见下页）。1819 （2）2007年举办了 “第二届电工产品可靠性与电接触国际会议 ” “第二届电工产品可靠性与电接触国际会议”于2007年3月28日至4月1日在厦门市召开，会议由中国电工技术学会电工产品可靠性研究会举办。 开幕式由电工产品可靠性研究会副理事长章继高教授主持，电工产品可靠性研究会理事长、本届国际会议主席陆俭国教授致欢迎词，原机械工业部副部长、本届国际会议名誉主席陆燕荪教授在会上作了重要讲话，东道主厦门宏发电声有限公司郭满金总经理作了发言。 本届会议比上届会议取
16、得了更大成功，得到了国内外代表的高度评价，会议94篇论文全部被ISTP收录，其中30篇论文被SCI收录。 （3） “第三届电工产品可靠性与电接触国际会议 ”于2009年10月28日至11月1日在温州市召开，会议由中国电工 20 工技术学会电工产品可靠性研究会举办。 虽然该会议在国际金融危机期间举办，但仍得到很大成功，国际上很多电接触领域知名专家参加了会议，会议得到国内外专家的一致好评，会后国内外专家与代表还参观了乐清市河北工大电器可靠性实验室，对该实验室的规模与技术水平给予高度评价。会议107篇论文全部被ISTP收录，其中一部分论文被电工技术学报选登。21四、电接触领域的国际学术会议四、电接触
17、领域的国际学术会议 电接触学术交流方面很活跃，涉及到电接触的的国际学术会议主要有： IEEE霍姆电接触会议（每年召开一次）今年10月将于美国召开第52届霍姆电接触会议。 国际电接触会议（1961年召开第一届会议，1964年起每两年召开一次）今年4月将于美国召开第25届会议。 电工产品可靠性与电接触国际会议(每两年半召开一次) 2004年8月举办第一届会议 2007年3月举办第二届会议 2009年10月举办第三届会议 第四届电工产品可靠性电接触国际会议将于2012年与第二十六届国际电接触会议联合举行。22五、影响触头的关键因素五、影响触头的关键因素 1、触头结构及参数（特别是触头压力） 2、触头
18、电路电压及电流 一般电压高、电流大（如几百伏及几安倍以上）时电弧能量大，灭弧较困难，触头电磨损大，易熔焊；但电压较低，电流较小（如24伏及数百毫安以下）表面膜不易被击穿或烧掉，易发生接触不良故障，这种情况下电压越低，电流越小就越易发生接触不良故障。 3、交流电路的功率因数 功率因数大时，电感中贮能多，电弧不易熄灭，触头电磨损会增大。23 4、直流电路的时间常数 时间常数大时电感中贮能多，电弧不易熄灭，触头电磨损会增大。 5、环境的影响 如触头所处环境中有二氧化硫等污染物会使接触电阻增加而可能导致电接触故障，国家标准GB2424.11“电工电子产品基本环境试验规程 接触点和连接件的二氧化硫试验导
19、则”对触头在有二氧化硫的环境中的接触电阻试验作出了规定。 6、触头材料 研制符合环保要求的耐电磨损、抗熔焊、接触电阻小、在有污染的环境中保持接触电阻稳定的触头材料对保证电接触具有良好性能是非常重要的。 24六、电接触与电工产品可靠性工作的发展前景 我国电工产品可靠性研究虽然做了一些工作，取得了一些进展，但由于我国电工产品可靠性研究工作起步较晚，不少电工产品还未开展可靠性研究与考核工作，在新产品开发时尚未认真开展可靠性设计与可靠性制造，特别是我国电工行业的大多数企业对可靠性工作还重视不够，可靠性工作尚未认真开展，我国电工产品的可靠性水平还普遍低于发达国家产品的可靠性水平。 目前，我国电接触研究的
20、基础还比较薄弱，研究的水平有等提高，技术力量和人才缺乏。因此，加强电接触基础和应用研究，培养专门人才，普及电接触基本知识，是我国电接触界当前的重要任务。25 在一个高度电气化的国家里，重要的工业部门、军事部门对系统工作的可靠性要求极高，这就对电接触的性能和可靠性提出了愈来愈苛刻的要求，因此，电接触这个学科不仅是电工技术的重要环节，而且还直接关系到电子技术、通讯技术、自动化技术、空间技术等的发展，是一门具有边缘性特点的关系面很广的学科。 在市场经济竞争中，以优取胜，以质量与可靠性取胜，必将成为共识。不仅要开发高性能的电工产品，而且要开发出高可靠性的电工产品，这将是我国电工产品的发展趋势，特别是我国加入WTO后，在国际上面临更大的竞争，电接触与可靠性工作更显得重要。相信在电接触与电工产品可靠性学术机构、科研机构及电工行业的共同努力下，我国电工产品可靠性研究与应用工作一定会更好地开展。可以预见，在新世纪中，我国电工产品的质量与可靠性水平一定会得到大幅度的提高，以满足我国经济建设的需要。26谢 谢!
