? 基于交流接触器电触头材质的对比研究郑学成, 肖裕文, 张红伟, 李 辉, 荣良章 (浙江天正电气股份有限公司, 浙江 温州 325604)  郑学成(1990—),男,工程师,主要从事低压电器技术的研究。 摘 要：对交流接触器电触头材质分析,能有效提高产品综合性能(如交流接触器的电气寿命、温升)。对比研究交流接触器电触头常用的AgCdO、AgNi和AgSnO2 3种材质的性能,通过分析交流接触器的性能试验,为交流接触器电触头材质选择提供参考。 关键词：AgCdO; AgNi; AgSnO2; 电接触材质; 电气寿命 0 引 言交流接触器是低压电器行业常用的控制电器之一,适用于远距离、频繁地接通和分断[1]。其可靠性直接影响整个电力系统的可靠运行。电触头是交流接触器的核心部件,对其材质研究意义重大。目前,电触头材质大致有纯金属材质、金属合金材质、金属陶瓷材质(粉末冶金材质)3大类。从生产工艺的简易性、生产成本等因素综合考虑,大部分交流接触器制造企业选择AgCdO、AgNi和AgSnO2 3种金属合金材质制造电触头。本文对比分析3种材质的性能,对3种材质电触头的交流接触器试验性能进行了研究。 1 3种材质的性能分析1.1 AgCdO性能分析 AgCdO材质是国内低压电器行业大量选用的电触头材质。AgCdO材质中的CdO成分在电弧作用下会发生剧烈分解、蒸发,因此其具有耐侵蚀性好、抗熔焊力强、接触电阻低且稳定性高等良好的使用性能;同时,AgCdO还具有良好的加工性能。目前,国内大部分交流接触器的制造企业选择AgCdO作为大电流接触器的电触头。 另外,CdO成分中的Cd有一定的毒性,污染环境,尽管其含量的增加可以提高AgCdO材质电触头的抗熔焊性能,但会使电触头的接触电阻增大,从而使产品温升变高,还降低了材料的加工性能。因此,在交流接触器里比较常用CdO含量在10%～17%的AgCdO材料电触头。 1.2 AgNi性能分析 AgNi材质拥有良好的导电、导热性,接触电阻低而且稳定,电气寿命试验时电弧移动速度快、耐磨性好、机械强度高。AgNi材质还具有良好的延展性、优异加工性能、简单的生产工艺、较低的成本等多方面优点。另外,AgNi材质的触头不需要覆银层就可以直接焊接或采用铆接工艺,可以节省大量的银,从而大大降低成本。但是AgNi材质的触头在大电流下抗熔焊性低,抗电弧烧蚀能力不如AgCdO、AgSnO2电触头材料[2-3]。因而,AgNi材质在交流接触器的实际使用中受到限制,仅适合电流≤25 A的壳架。目前,不同的交流接触器制造企业对AgNi的使用情况稍有区别,但都是运用在小电流壳架里。 交流接触器中使用AgNi材质电触头的Ni含量一般为10%～30%。 1.3 AgSnO2性能分析 由于AgCdO材料中的Cd元素具有毒性,Cd含量超过一定的标准后对人体有害,因此相关材料制造部门和使用部门都建议研制新的无毒电触头材料取代 AgCdO[4-5]。 研究发现AgSnO2是完全有可能代替 AgCdO的电触头材料。AgSnO2材质具有环保无毒的特点,其优良的抗熔焊及耐电弧烧损性能很适合制造电触头。在电流较大的交流接触器中,AgSnO2比AgCdO、AgNi具有更好的耐电弧烧蚀能力、抗电流冲击能力。虽然AgSnO2的接触电阻会比AgCdO稍高,但可以从优化交流接触器内部散热结构解决温升稍高的问题。 2 3种材质电触头的交流接触器试验性能研究本研究基于低压电器行业交流接触器常规电流壳架6～95 A的综合性能试验。本文主要阐述3种材质电触头对交流接触器电气寿命、温升性能的影响。 交流接触器电气寿命是指交流接触器的电气安全寿命,其基本保持原有性能的时间。交流接触器制造企业按国标GB 14048.4电气寿命试验相关规定研发设计产品。一般按交流接触器使用类别完成电气寿命试验。 本文均按照GB 14048.4中的AC-4使用条件进行电寿命验证[6]。 2.1 中小电流壳架交流接触器试验性能研究 目前,国内大部分交流接触器制造企业制造小电流壳架的接触器使用AgNi材质;处于中间电流壳架25 A的交流接触器,部分设计人员使用AgCdO材质,部分设计人员使用AgNi材质。在考虑成本的基础上,25 A交流接触器使用铆接工艺的电触头,即电触头是不同材质的金属结合在一起。一般,铜在底部叫铜基,其他合金在头部,再铆接在铜件或者铁件上。 AgCdO(12)/Cu材质静触头银点处剖开后夹在游标卡尺上的剖视图如图1所示。上层银白色是AgCdO,下层是铜基。另外,AgCdO与Cu结合面的结构也会影响交流接触器的电气寿命,图1中在卡尺左边的银点结构俗称“锅底结构”。试验证明在用银量相同的情况下,AgCdO与Cu结合面是“平面结构”(图1右边银点)的电气寿命高于“锅底结构”。原因是“锅底结构”银点的动静银点上表面边缘银层薄,容易熔焊失效。  图1 AgCdO(12)/Cu材质静触头剖视图 25 A交流接触器的动静触头选用AgCdO(12)/Cu材质做完AC-4电气寿命后主触头中一组动触头和静触头表面被电弧烧蚀情况如图2所示。产品失效形式是动触头银点的银层粘上静触头银点的铜基。失效后是其动静触头银点粘合在一起,拆分开后,动静触头银点表面都有铜基撕裂的痕迹。由于AgCdO在电弧烧损下发生剧烈分解、蒸发,冷却后形成的液态AgCdO与铜基粘合,使交流接触器动静触头的分断速度变慢,加长了电弧对电触头的烧蚀时间,造成产品在电气寿命较低的时候就熔焊失效。  图2 AgCdO(12)/Cu材质电气寿命后的一组动静触头 AgNi(20)/Cu材质的25 A交流接触器做完AC-4电气寿命试验后动静触头的烧损情况如图3所示。AgNi(20)/Cu材质的动静触头在做完电气寿命后,产品失效形式是动触头的动触桥熔断。由于AgNi材质具有接触电阻低而稳定、电弧移动速度快等特点,不容易烧蚀银点。但在电气寿命达到一定的次数后,电弧对动触头接触桥头部烧损逐步严重,最终使银点从触桥上脱落,造成产品失效。  图3 AgNi(20)/Cu材质电气寿命后的动静触头 25 A交流接触器选用AgCdO(12)/Cu材质电触头和AgNi(20)/Cu材质电触头4批次电气寿命试验平均数对比如图4所示。选择的AgNi(20)/Cu材质的电触头成本比AgCdO(12)/Cu材质的电触头成本更低。对比试验:电触头尺寸一样、材质不同、产品其他零部件都一样;每批次2种材质的产品各3台,2种材质产品4批次都一样。试验数据表明,在同样的试验条件下,AgNi(20)/Cu电触头比AgCdO(12)/Cu电触头的AC-4电气寿命高0.2～1.0万次。从电气寿命性能和成本判断,对于25 A交流接触器选用AgNi材质比AgCdO材质更合适。  图4 25 A交流接触器电气寿命对比 2.2 大电流壳架交流接触器试验性能研究 目前,AgCdO材质的电触头在工艺上比AgSnO2材质的电触头简单,技术较成熟,生产成本低,电气寿命也较稳定。但AgSnO2是环保型材质,是发展的方向。现就AgSnO2材质电触头与AgCdO材质电触头的性能作以下分析。 交流接触器的另一个重要性能指标是主触头温升。电触头温升高,散热不良使触头电弧熄灭较难,电弧的燃弧时间变长加速了电触头的烧蚀,会导致交流接触器的电气寿命降低。在生产运用中发现AgSnO2的接触电阻和温升在相同条件下比AgCdO高,是AgSnO2先天的缺陷。这缺陷影响产品的电气使用性能[7-10]。研究发现AgSnO2电触头在电弧熄灭后,SnO2成分容易富集在触头表面形成绝缘层,从而使 AgSnO2材质的触头接触电阻升高[8-10]。试验证明,AgNi材质和AgCdO材质交流接触器的主触头温升能在GB 14048.4要求的65 K以内;AgSnO2材质的电触头由于接触电阻较AgCdO的大,主触头温升较高。AgSnO2材质的电触头焊接技术还在优化,相应的添加剂、助焊剂还在改善。交流接触器38 A电流规格产品主触头温升4组对比试验中的一组数据如表1所示。试验产品仅银点材质不同,银点尺寸相同、其余零部件都相同,试验条件和环境一样。由表1试验数据表明,AgCdO(15)材质的主触头温升在60 K以内,而AgSnO2(14.5)材质的主触头温升超过65 K。 深入研究发现,使用AgSnO2(14.5)材质的38 A电流规格的交流接触器,在结构上对触头灭弧系统进行优化,AgSnO2(14.5)材质的AC-4电气寿命也能达到甚至超过AgCdO(15)材质的产品。38 A交流接触器结构优化后4批次AC-4电气寿命试验平均数对比如图5所示。对比试验为银点材质不同,银点尺寸、其余零部件一样,试验条件、环境一样;每批次2种材质的产品各3台,2种材质产品4批次都一样。 表1 38 A交流接触器主触头温升  主触头材质编号进线端温升/K出线端温升/K备注ABCABC导线10.0m2/m电流/AAgSnO2(14.5)167.176.670.659.163.668.3150260.284.671.657.770.466.9150AgCd0(15)156.555.855.048.650.450.6150256.756.856.556.455.654.0150  图5 38 A交流接触器电气寿命对比 其他电流规格产品如32、40、50、65、80、95 A的触头灭弧系统结构优化后用AgSnO2(14.5)材质和AgCdO(15)材质做AC-4电气寿命对比试验结果和38 A的一样,在此不再赘述。大量试验结果表明,AgCdO材质电触头的电气寿命较稳定,但AgSnO2材质电触头的电气寿命在未来有优于AgCdO材质的可能。 3 结 语AgCdO、AgNi、AgSnO2材质的电触头各有优缺点。从交流接触器整体性能分析,常规电流壳架6～95 A的电触头选材有如下结论: (1)6～25 A的交流接触器电触头选择AgNi材质,32～95 A的交流接触器电触头选择AgSnO2材质。 (2)25 A的交流接触器使用AgNi材质电触头,具有环保、成本低、性能高等优点。 (3)AgSnO2材质是大电流壳架交流接触器电触头选材的趋势,交流接触器制造企业研究AgSnO2材质的意义重大。 【参 考 文 献】 [1] 周茂祥.低压电器设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992. 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Effects of coating process on the characteristics of AgSnO2 contact materials[J].Materials Chemistry and Physics,2006,98:477-480. Comparative Research of Electrical Contact Materials Based on AC Contactor ZHENG Xuecheng, XIAO Yuwen, ZHANG Hongwei, LI Hui, RONG Liangzhang (Zhejiang Tengen Electric Stock Co.,Ltd.,Wenzhou 325604, China) Abstract：The analysis of electrical contact material of AC contactor can effectively improve the comprehensive performance of products,such as the electrical life of AC contactor,temperature rise.The comparison of AgCdO,AgNi and AgSnO2,three kinds of materials used in AC contactor,was summarized.Through analyzing the performance test of AC contactor,it provides the development direction for the electrical contact material selection of the AC contactor. Key words：AgCdO; AgNi; AgSnO2; electrical contact material; electrical life 中图分类号：TM 504 文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2017)08-0035-04 DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2017.08.009 收稿日期：2016-07-19 肖裕文(1988—),男,工程师,主要从事低压电器技术的研究。 张红伟(1986—),男,工程师,主要从事低压电器技术的研究。 |
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