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《銀氧化鎘觸點(diǎn)切換容性負(fù)載的試驗(yàn)研究》
劉凱政1,張旭1,滿思達(dá)2,張文聰1,任萬濱1
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 ，哈爾濱 150001；2.國(guó)網(wǎng)物資有限公司，北京 100120)
摘要:采用開發(fā)的觸點(diǎn)材料電性能試驗(yàn)系統(tǒng)，提取了銀氧化鎘觸點(diǎn)切換容性負(fù)載過程的典型電壓、電流波形 ，比較分析了壽命試驗(yàn)過程中燃弧時(shí)間、觸點(diǎn)壓力和接觸電阻的變化特征，進(jìn)而觀察分析了材料表面的微觀燒蝕狀態(tài)以及可能的熔焊物理機(jī)制。關(guān)鍵詞:銀氧化鎘；容性負(fù)載 ；浪涌電流；電性能；失效機(jī)理
0 引言 觸點(diǎn)(亦稱觸頭)是各類高低壓電器開關(guān)內(nèi)部完成導(dǎo)通和分?jǐn)嚯娏鞯闹苯訄?zhí)行部件 。低壓控制類電器的觸點(diǎn)大多采用銀基復(fù)合材料,尤其是銀氧化鎘、銀氧化錫等銀金屬氧化物復(fù)合材料。自20世紀(jì)30年代銀氧化鎘材料問世以來,人們至今仍然一直在努力通過改變制造工藝和添加物等方式使觸負(fù)載條件下的電性能現(xiàn)已有基本的認(rèn)識(shí),但對(duì)觸點(diǎn)材料的電性能得到提升,主要體現(xiàn)為提升材料的抗電弧侵蝕能力、溫升、接觸電阻、抗熔焊能力等,相繼出現(xiàn)了銀鎳材料 、銀鎢材料和銀氧化錫材料等。銀基復(fù)合材料的電性能與低壓電器的壽命/何靠性關(guān)系密切,電工合金行業(yè)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)科技公司等通過自主創(chuàng)新研發(fā),跟蹤對(duì)比國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等策略,針對(duì)觸點(diǎn)材料的組分優(yōu)化和制造工藝改進(jìn)等方面開展了廣泛而又堅(jiān)實(shí)的科研工作,在定程度上已使國(guó)產(chǎn)電器開關(guān)的電壽命得到了提高 。
學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)銀基復(fù)合觸點(diǎn)材料在阻性負(fù)載條件下的性能現(xiàn)已基本的認(rèn)識(shí)，但對(duì)觸點(diǎn)材料在容性負(fù)載 、LED燈負(fù)載 、感性負(fù)載等條件下的退化情況,可供參考的結(jié)論和試驗(yàn)結(jié)果卻很少。投切該類非阻性負(fù)載的過程中,往往會(huì)產(chǎn)生過電流和過電壓(浪涌負(fù)荷),使觸點(diǎn)更容易失效,這種嚴(yán)苛的電負(fù)荷條件對(duì)觸點(diǎn)材料的電性能提出了更高的要求 。因此,研究觸點(diǎn)材料在浪涌負(fù)荷條件下的電性能特點(diǎn),分析觸點(diǎn)材料在浪涌負(fù)荷條件下的退化失效過程和機(jī)理,對(duì)觸點(diǎn)材料的組分優(yōu)化和性能的提升具有實(shí)際工程價(jià)值。
本研究以典型的銀氧化鎘觸點(diǎn)材料為試驗(yàn)對(duì)象,試驗(yàn)研究了其分?jǐn)?div id="jfovm50" class="index-wrap">、閉合容性負(fù)載的電性能參數(shù)退化過程,并通過掃描電子顯微鏡獲得了材料熔焊失效的微觀照片,進(jìn)而提出了其可能存在的失效機(jī)理 。
1 試驗(yàn)條件
所用的試驗(yàn)系統(tǒng)前文[12,13]已有詳述,機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示于圖1。主要技術(shù)指標(biāo)如下:觸點(diǎn)開距
圖1 觸點(diǎn)材料電性能模擬試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
詳細(xì)試驗(yàn)條件如表1所示
表1 試驗(yàn)條件
圖2 觸點(diǎn)幾何尺寸(單位:mm)
圖3 試驗(yàn)電路圖
2 試驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 電性能參數(shù)
電壽命試驗(yàn)中典型的觸點(diǎn)閉合電壓和閉合電流如圖4所示。容性負(fù)載下觸點(diǎn)400μs機(jī)械回跳與電路中電容放電的結(jié)合,由此形成了觸點(diǎn)間浪涌電流的短時(shí)放電,電流峰值80A已超過穩(wěn)定電流18A的4倍
圖4 閉合容性負(fù)載時(shí)觸點(diǎn)電壓和觸點(diǎn)電流波形
觸點(diǎn)斷開過程的電壓、電流波形如圖5所示
圖5 容性負(fù)載時(shí)分?jǐn)嚯妷?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">、電流波?/span>
在容性負(fù)載試驗(yàn)中后期,分?jǐn)噙^程開始間歇性地出現(xiàn)燃弧現(xiàn)象,如圖6所示
圖6 試驗(yàn)在5500~570次間的燃弧時(shí)間和接觸電阻變化
圖7 試驗(yàn)在5500～5700次間的觸點(diǎn)壓力和碰撞力変化
浪涌電流峰值為50A的容性負(fù)載條件下和阻性負(fù)載條件下的燃弧時(shí)間如圖8所示
選取浪涌峰值電流幅值為90A和50A兩種容性負(fù)載條件進(jìn)行試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)切換過程中的燃弧時(shí)間、接觸電阻
圖8 阻性負(fù)載和容性負(fù)載燃愧時(shí)間比較
2.2 觸點(diǎn)表面微觀形貌分析
將峰值電流峰值為90A條件下切換20 000次熔焊失效的觸點(diǎn)置于掃描電鏡下觀察,照片如圖11。所示
圖12所示為觸點(diǎn)熔焊面的微觀形瑤照片。由
圖10 浪涌電流峰值對(duì)觸點(diǎn)電性能參數(shù)退化的影響
圖12(a)和(b)可見 ,實(shí)際接觸 面 高于動(dòng)觸頭原始表面 , 這驗(yàn)證了前文分析推測(cè)的觸點(diǎn)表面材料損耗方式,即觸點(diǎn)材料先形成凸起物后因電弧作用
將動(dòng)觸點(diǎn)的實(shí)際接觸 面的邊緣放大觀察(如圖13所示) ,可發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)表面出現(xiàn)球狀結(jié)晶體,推測(cè)為觸點(diǎn)閉合分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)中,熔融態(tài)的觸點(diǎn)材料發(fā)生噴濺,濺射到觸點(diǎn)表面形成的,這也是觸點(diǎn)材料損失的另一原因
圖11 掃描電鏡圖片
圖12 動(dòng)觸頭實(shí)際接觸面的微觀形貌
圖13 接觸面邊緣處微觀形貌照片
3 結(jié)論
(1)電性能模擬試驗(yàn)一方面揭示了觸點(diǎn)閉合容性負(fù)載過程中機(jī)械回跳與浪涌電流同時(shí)發(fā)生加劇侵蝕觸點(diǎn)材料的現(xiàn)象,另一方面揭示了觸點(diǎn)斷開容性負(fù)載過程中間歇性燃弧的現(xiàn)象。
(2)通過比較不同的電容負(fù)載引起的浪涌電流幅值情況,確定浪涌幅值增加提高了分?jǐn)嚯娀〕霈F(xiàn)的頻數(shù)和強(qiáng)度,惡化觸點(diǎn)接觸電阻,最終造成觸點(diǎn)表面侵蝕加劇,電接觸狀態(tài)惡劣,熔焊概率增加
(3)觸點(diǎn)熔焊失效的電鏡照片表明觸點(diǎn)的接觸面積遠(yuǎn)小于其輪廓視在面積,且熔焊面(即觸點(diǎn)最終失效時(shí)的接觸面)的微觀形貌說明了接觸面的急劇減小,導(dǎo)致局部焦耳熱嚴(yán)重,是觸點(diǎn)最終熔焊失效的根本原因。
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