刘凯政¹,张旭¹,满思达²,张文聪¹,任万滨¹

(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨  150001；2.国网物资有限公司，北京  100120)

 

摘要:采用开发的触点材料电性能试验系统，提取了银氧化镉触点切换容性负载过程的典型电压、电流波形，比较分析了寿命试验过程中燃弧时间、触点压力和接触电阻的变化特征，进而观察分析了材料表面的微观烧蚀状态以及可能的熔焊物理机制。

关鍵词:银氧化镉；容性负载；浪涌电流；电性能；失效机理

 

0 引言

触点(亦称触头)是各类高低压电器开关内部完成导通和分断电流的直接执行部件。低压控制类电器的触点大多采用银基复合材料,尤其是银氧化镉、银氧化锡等银金属氧化物复合材料。自20世纪30年代银氧化镉材料问世以来,人们至今仍然一直在努力通过改变制造工艺和添加物等方式使触负载条件下的电性能现已有基本的认识,但对触点材料的电性能得到提升,主要体现为提升材料的抗电弧侵蚀能力、温升、接触电阻、抗熔焊能力等,相继出现了银镍材料、银钨材料和银氧化锡材料等。银基复合材料的电性能与低压电器的寿命/何靠性关系密切,电工合金行业内的研究机构科技公司等通过自主创新研发,跟踪对比国外先进技术等策略,针对触点材料的组分优化和制造工艺改进等方面开展了广泛而又坚实的科研工作,在定程度上已使国产电器开关的电寿命得到了提高。

学术界和工业界对银基复合触点材料在阻性负载条件下的性能现已基本的认识，但对触点材料在容性负载、LED灯负载、感性负载等条件下的退化情况,可供参考的结论和试验结果却很少。投切该类非阻性负载的过程中,往往会产生过电流和过电压(浪涌负荷),使触点更容易失效,这种严苛的电负荷条件对触点材料的电性能提出了更高的要求。因此,研究触点材料在浪涌负荷条件下的电性能特点,分析触点材料在浪涌负荷条件下的退化失效过程和机理,对触点材料的组分优化和性能的提升具有实际工程价值。

本研究以典型的银氧化镉触点材料为试验对象,试验研究了其分断、闭合容性负载的电性能参数退化过程,并通过扫描电子显微镜获得了材料熔焊失效的微观照片,进而提出了其可能存在的失效机理。

1  试验条件

所用的试验系统前文[12,13]已有详述,机械系统结构框图示于图1。主要技术指标如下:触点开距、超程、空程等距离调整参数调节精度10m;触点压力测量范围4N;接触电阻测量分辦率小于0.1mΩ;燃弧时间分辨率4μs;燃狐能量、回跳能量分辨率1mJ。本试验系统的软件主要包括电性能综合参数计算程序和人机交互界面两大部分。基于 LabVIEW图形化程序设计环境,编写了模拟试验系统的人机交互界面;通过RS232硬件接口与下位机系统进行信息传递,实现握手通信、试验参数设置、触点分合动作控制等功能;通过PCI通信协议将采集的试验原始数据读取至上位机,并进行电性能特性参数计算,在人机交互界面上显示和存储,并能实现粘接报警和保护等功能。

 

 图1  触点材料电性能模拟试验系统机械系统结构框图

详细试验条件如表1所示。试验中选择AgCdO触点材料,其外形尺寸如2所示。试验电路图如图3所示。

表1  试验条件

 

 

图2  触点几何尺寸(单位:mm)

 

图3  试验电路图

2  试验结果分析

2.1  电性能参数

电寿命试验中典型的触点闭合电压和闭合电流如图4所示。容性负载下触点400μs机械回跳与电路中电容放电的结合,由此形成了触点间浪涌电流的短时放电,电流峰值80A已超过稳定电流18A的4倍。

 

 图4  闭合容性负载时触点电压和触点电流波形

触点断开过程的电压、电流波形如图5所示。在触点分断初期,触点压力逐渐减小,接触电阻逐渐增大,由于触点支路线路存在一定的感性阻碍触点支路电流I_a的减小,触点电流存在缓慢的减小过程,直至接触压力减小为零,触点完全分断,持续时间为32μs。在触点电流I_a缓慢减小的过程中,线路等效电感会产生自感电势,该过程在触点电压U_a上表现为图5中的凸包,该凸包峰值约为8V,当该自感电压大于此时的击穿电压时产生电弧,否则不会产生电弧。当触点电流减小为零,线路等效电感所储存的能量泄放完毕,触点支路完全断开,此时触点两端电压U_a等于电容电压,图5所示约为5V。该电压小于此时触点击穿电压,因此没有电弧产生,触点仍处于断开状态。

图5 容性负载时分断电压、电流波形

在容性负载试验中后期,分断过程开始间歇性地出现燃弧现象,如图6所示。在5550次动作后发生两次剧烈燃弧,燃弧时间接近8000μs,之后对应的接触电阻出现了急剧增大,超过了12mΩ。接触电阻增大与触点材料成分和接触面积的退化状态一定有关,为此将试验5550次之后200次的碰撞力和静压力试验数据对比分析,如图7所示。由图7可知在剧烈燃弧后,碰撞力上升而静压力下降,在机械参数未变化的前提下,说明触点的开距可能发生变化,即触点的表面因为电弧的烧蚀而发生物质损失,使开距变大,而表面出现凸起物可使接触面积减小。

图6  试验在5500~570次间的燃弧时间和接触电阻变化

图7  试验在5500～5700次间的触点压力和碰撞力変化

浪涌电流峰值为50A的容性负载条件下和阻性负载条件下的燃弧时间如图8所示。容性负载条件下燃弧发生的次数较少但燃弧时间较长,阻性负载条件下燃弧时间较为稳定。两者的接触电阻变化如图9所示。阻性负载条件下的接触电阻变化剧烈且波动较大,最小为7mΩ,最大为16mΩ。而容性负载条件下的接触电阻变化较小,维持在6mΩ左右,在试验超过30000次后波动幅度逐渐增加。

选取浪涌峰值电流幅值为90A和50A两种容性负载条件进行试验,统计切換过程中的燃弧时间、接触电阻、触点静压力(如图10所示)。从图10可见,浪涌电流峰值的增大提高了分断电弧出现的频数和强度,且接触电阻也将变化剧烈;同时也造成了触点静压力下降增大,这表明触点表面侵蚀情况加剧, 触点磨损增加使触点间的开距增大,从而超程减小, 触点压力减小。

图8  阻性负载和容性负载燃愧时间比较

2.2  触点表面微观形貌分析

将峰值电流峰值为90A条件下切换20 000次熔焊失效的触点置于扫描电镜下观察,照片如图11。所示。图11中方框所标为实际 触点接触 面积,该 面积与触点的外形轮廓面积相比不足十分之一。

图12所示为触点熔焊面的微观形瑶照片。由

图10  浪涌电流峰值对触点电性能参数退化的影响

图12(a)和(b)可见 ,实际接触 面 高于动触头原始表面 , 这验证了前文分析推测的触点表面材料损耗方式,即触点材料先形成凸起物后因电弧作用、机械磁撞等原因将凸起物磨损,使触点表面发生变化。由图12(c)可见 ,接触 表面 较为锐利,且有明显断层，这说明熔焊面较实际接触面更小。

将动触点的实际接触 面的边缘放大观察(如图13所示) ,可发现触点表面出现球状结晶体,推测为触点闭合分断运动中,熔融态的触点材料发生喷溅,溅射到触点表面形成的,这也是触点材料损失的另一原因。

 图11  扫描电镜图片

图12  动触头实际接触面的微观形貌

图13  接触面边缘处微观形貌照片

 

3  结论

(1)电性能模拟试验一方面揭示了触点闭合容性负载过程中机械回跳与浪涌电流同时发生加剧侵蚀触点材料的现象,另一方面揭示了触点断开容性负载过程中间歇性燃弧的现象。

(2)通过比较不同的电容负载引起的浪涌电流幅值情况,确定浪涌幅值增加提高了分断电弧出现的频数和强度,恶化触点接触电阻,最终造成触点表面侵蚀加剧,电接触状态恶劣,熔焊概率增加。

(3)触点熔焊失效的电镜照片表明触点的接触面积远小于其轮廓视在面积,且熔焊面(即触点最终失效时的接触面)的微观形貌说明了接触面的急剧减小,导致局部焦耳热严重,是触点最终熔焊失效的根本原因。