燃弧对触头表面的影响

每次燃弧后都会对触头表面的状况造成改变。前面已经谈到电弧造成的最直观和最具破坏性的结果就是触头磨损。然而需要指出电弧还会造成其它影响。

电弧会使触头表面熔化，当触头表面凝固时，其结构就会发生一些变化。以真空电弧对CuCr触头的烧蚀为例，图4-141示出当CuCr触头多次开断大短路电流后的情况。在原来的触头中Cr颗粒的直径约为20μm，镶嵌在Cu中。在燃弧后，非常细小的Cr颗粒分散在一个脆性的Cu表面层中。在空气中燃弧时触头表面结构也会出现类似的变化，AgCdO触头就是一个很好的例子。

图4-141 真空中大电流开断对CuCr触头表面的影响

在空气中触头分断电流时，触头表面可能发生的变化十分复杂。在电弧与触头表面及空气的组分之间有多种可能的反应。图4-142给出了一些可能的反应。在清洁的空气中，热的触头表面与空气可形成氧化物、氮化物和碳酸盐。如果空气中有工业污染物如SO₂、H₂O、氯化合物以及灰尘时，则有可能生成硫化物和氯化物。如果电弧在含有有机物的气体中燃烧，可引起触头表面有碳附着。如果有高温硅油、油脂、密封用化合物中释放出的气体与电弧相互接触，则触头表面上可能形成SiO₂。

图4-142 燃弧期间触头与周围空气可能发生的反应

这些触头表面上发生的相互作用通常导致接触电阻的变化，可能导致的变化示于图4-143中。图中示出其变化还是较复杂的，取决于操作机构、周围气体、触头材料和电弧特性，接触电阻R_c可能增加、减小或保持不变。例如电流开断过程中在电弧作用下形成的氧化膜在触头闭合过程中可能被触头合闸力或触头之间的滑动所破坏，这是大功率塑壳断路器在触头材料选用AgW时所采用的方法。触头磨损也会对R_c产生显著影响，如果每次燃弧都使触头表面磨损得非常严重，以至于每次都能产生一个新的原始金属间的接触面，从而R_c可以很低。而触头表面一旦形成绝缘膜，R_c增长就会非常显著，即使当一个小电流从闭合的触头间流过时也会导致接触斑点处温度的上升，温度的上升反过来又进一步促进膜的产生。

1.银基触头

对于纯银触头和银氧化物触头如AgCdO和AgSnO₂，图4-143所示的效应在很大程度上取决于燃弧功率（电流和电压水平）以及操作机构提供的力。对于大多数50A及以上的开关装置，触头关合力及触头滑动力通常足够使触头表面氧化物膜和硫化物膜破裂，在这个功率等级上设计人员主要考虑的是触头磨损和触头熔焊。

在小电流下触头压力较低，此时有可能形成表面膜，导致R_c较高。图4-144示出Ag触头在N₂和N₂加O₂环境下开断小电流时R_c的变化情况，其变化的原因可能是由于氧化膜的形成。

图4-143 接触电阻R_c可能发生的变化

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图4-144 银触头在氮气和氮气加氧气环境下进行分断电流操作接触电阻随操作次数的变化

a）Ag触头，0.5A，N₂ b）Ag触头，0.05A，50%O₂ c）Ag触头，1.0A，5%O₂ d）Ag触头，1.0A，50%O₂

2.银-难熔金属触头

银-难熔金属触头的优点和缺点示于图4-145中。一般认为这类触头材料抗电弧磨损性能更高，难熔金属的脆性大以及银-难熔金属的微观组织结构使其具有更好的抗熔焊性能。因此这种组合适合于开断很大的短路电流。最常见的组合是W-Ag触头材料，这种触头材料其耐电弧磨损性能和抗熔焊性能很好，但氧化膜的形成会导致高的接触电阻。当W-Ag触头在空气中开断电流时，在触头表面上可形成钨氧化物和钨酸盐导致接触电阻R_c的增大。而氧化物的形成则随着每一次操作变化很大，同时它还与所研究开关的触头压力和触头滑动力有关。因此，不同研究者得到的接触电阻数据会有很大不同。Witter和Abele观察到在20A下操作4000次后R_c的单调下降，如图4-146所示，这可能与W-Ag触头中银含量的增加有关，他们还观察到起始的晶粒组织越细R_c就越高。Lindermayer和Roth指出触头直径对测量到接触电阻R_c有显著的影响，当图4-147中的触头磨损数据与图4-148中的R_c数据进行比较时（图中∅表示触头直径），可以发现在某一电流下触头磨损加快，而对应于这一电流R_c开始减小。当电弧磨损增加时更多地银可以到达触头表面上来，使银-银之间接触的可能性大大增加，使R_c降低。他们发现在1000A下，直径为6mm的W-Ag触头，其磨损率比WC-Ag高，得到了更低的R_c，由此证明磨损率对R_c的影响。这些结果与Slade的结果相反，Slade的实验电流为20A，他发现触头磨损并不产生什么影响，W-Ag和WC-Ag的R_c没有区别。Leung和Kim发现在30A下虽然W-Ag的磨损率比WC-Ag的高，但是W-Ag的R_c并未降低，反而比WC-Ag高。在W-Ag或WC-Ag中加入Co或者Ni后R_c趋于有所降低，这可能是磨损率增加的结果。这些添加成分会产生一些化学影响，减缓表面氧化物的形成。然而Witter指出如果Ni的添加量较大时，Ni-W相以及Ni-W氧化物的形成会导致R_c的迅速增加。

图4-145 银-难熔金属触头

图4-146 W-Ag触头中Ag含量变化时接触电阻的变化

图4-147 触头直径对W-Ag触头磨损的影响

图4-148 在图4-148中的触头磨损对W-Ag触头接触电阻的影响