电接触理论及应用
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江西南昌
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作者荣命哲 杨飞
出版社机械工业出版社
ISBN9787111730088
出版时间2023-08
装帧平装
开本16开
定价59元
货号29617530
上书时间2024-11-04
商品详情
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前言
电接触及其学科的研究内容和意义
电接触是指两个导体之间相互接触并通过接触界面实现电流传递或信号传输的一种物理、化学现象。电接触现象广泛存在于电力系统、自动控制系统和通信系统等各类民用、国防领域的工业系统当中，涉及国民经济发展和国防安全建设的方方面面［14］。
根据接触的状态及行为表现，电接触可分为固定电接触、滑动或滚动电接触以及可分离电接触。具体的，如果电接触是依靠两个导体固定接触而维持，在正常工作过程中导体之间不发生相对移动，例如各种固定的电连接器以及电缆或母排的连接等应用，称为固定电接触；如果电接触依靠两个导体通过滑动接触或者滚动接触而维持，例如集电环、导电刷、电动机车的受电弓与馈电线、滚动导电环等，称为滑动或滚动电接触；如果在正常工作中，两个导体会出现接触和分离两种状态实现电接触的产生和消除，导致两导体所处电路的电流接通或分断，则称为可分离电接触。最常见的应用是电力系统中大量使用的各类开关电器中的触头，承担了执行接通和切断各种电路、承载正常的额定工作电流的职能，属于典型的可分离电接触，在带电分断的情况下还会产生非常重要的电弧放电现象［510］。
在上述各类电接触中，传递电流或输送信号的两导体称为触头、触点或电极，根据电流方向，又可以定义电接触的阳极和阴极，电流从阳极通过电接触流入阴极。如果是在交流情况下，电接触的阳极和阴极则随电流方向交替变化。
开关和电连接器等电接触器件通常用于负责系统的连接与保护，往往是整个系统能量与信息传输的安全保障和咽喉环节。例如，配电电器的分断能力、控制电器的工作寿命、继电器的可靠性，无不取决于触头的工作性能和质量，其关系到系统的安全运行［1119］。特别是近年来，随着能源、信息等领域的飞速发展，各种新的应用场景层出不穷，对相关器件的电接触的通流性能、开断性能和运行寿命等提出了非常苛刻的要求，因此相关的研究工作非常重要。
电接触的产生、维持和消除过程又是一个非常复杂的物理、化学过程，涉及电气、机械、材料等多个方面的交叉融合。尤其是可分离电接触，由于在两导体间，依据不同的电气条件，常常发生不同形式的气体放电，因而问题变得更加复杂多变［2030］。在两导体的接触界面或导体与等离子体界面发生的过程是电、磁、热、力及材料冶金效应相互作用的综合结果。电接触理论正是研究电接触产生、维持和消除过程当中，两导体接触界面或导体与等离子体界面发生的物理、化学过程的学科。这一学科涉及电弧物理、电磁场理论、计算机仿真、微观测试技术、电磁机构、电工材料与制造等，其研究的最终目的是在满足一定的经济效益前提下，提高电接触的工作可靠性和工作寿命。
电接触理论研究及应用的主要内容包括：
（1）电接触现象的基础理论研究
主要研究电接触的产生、维持和消除过程中的一些物理、化学现象。如电接触维持状态下接触电阻尤其是表面膜电阻部分的增值机理，以及由于接触电阻引起的温升现象甚至熔焊，电接触产生和消除过程中出现的触头材料侵蚀和转移等。
（2）电接触材料
不同的电接触形式，或不同的电气、机械工作条件，对电接触材料的要求各有侧重。因而在节省贵金属的前提下，研制开发适合相应要求的电接触材料一直是电接触理论和应用研究中的重要方面。新型电接触材料的开发，必须以电接触现象的理论研究为基础，主要从材料的组成和制造工艺两方面改善电接触材料的性能。
（3）电接触试验和诊断技术
电接触诊断技术是开展电接触试验研究的重要手段。电接触产生、维持和消除过程中发生的全部现象的观察、测试都需要借助和开发先进的诊断技术。例如，接触电阻和导电斑点区域温升的测试技术，电极间电弧特性的测试技术，触头材料侵蚀和转移的原位测试以及定量分析，电接触材料接触表面形貌特征及电接触材料组织和成分的测试技术等。
（4）电接触现象的数学模型化研究
随着计算机科学的普及和发展，许多复杂的物理、化学过程得以采用计算机模拟或仿真［3140］。科学的发展总是要由试验研究逐步发展到数学模型化阶段，对基本物理过程形成更加深入的认识，之后再利用数学模型和仿真方法对实际的工程应用形成科学的指导。因此，试验测试是数学模型化的基础，二者相辅相成互为促进。特别是在现代工程技术中，许多无法进行试验测试或因费用太高而难以进行测试的物理现象，常采用计算机技术来模拟整个过程，以获得对过程特性的了解和掌握。近年来，电接触理论及其应用研究在数学模型化方面也取得了引人瞩目的进展。尤其是在由接触电阻的微观描述，电弧引起的电触头材料烧蚀过程的数学模型化方面已取得不少成绩。尽管如此，在数学模型化这一领域仍有许多尚待研究和解决的问题。
2电接触学科的形成和发展
电接触现象很早就受到关注，几乎与电工学同时起步。世界上最早关心电接触问题的是英国的Johnson Matthey Company。19世纪50年代，由于在电信用途中继电器的使用，研究人员选用金属铂用作继电器的触点，标志着关于电接触现象研究的开始。
1941年，R. Holm出版了电接触学科的第一部著作［2］《电接触技术物
导语摘要
本书内容主要包括四个方面：①电接触现象的基础理论。主要介绍电接触产生、维持和消除过程中的物理、化学等现象的相关理论，包括电接触表面膜电阻的增值机理、电接触材料的侵蚀和转移理论等。②电接触材料。不同接触形式和工作条件对电接触材料的要求各有侧重，本书介绍了新型电接触材料的开发过程，以及如何从材料的组成和制造工艺两方面改善材料性能。③电接触试验和诊断技术。电接触产生、维持和消除过程中各种现象的观察测试都需要借助和开发先进的诊断技术，本书介绍了包括接触电阻和导电斑点温升测试技术、极间电弧特性测试技术、触头材料侵蚀和转移原位测试技术、接触表面形貌特征及电接触材料组织和成分的测试技术等。④电接触现象的数学模型。电接触是一个复杂的物理与化学过程，一些现象无法进行试验测试或费用太高，所以电接触的数学模型化也是一个非常重要的研究领域。本书对接触电阻的微观描述、接触材料烧蚀过程数学模型等方面的最新进展也进行了介绍。
本书是一部全面介绍电接触理论及应用的学术专著，内容不仅包含电接触现象的基本原理和研究发展脉络，还涉及该领域的最新研究进展与成果，对从事开关电器及电连接器等相关工业产品的科研设计人员、高校教师和学生都有很好的指导和参考意义。
目录
第1章静态电接触及其数学描述1
1.1接触电阻的物理模型1
1.2导电斑点电流密度分布3
1.3电触头体内电场及焦耳内热源分布6
1.4静态电接触热过程的数学模型及其
求解7
1.5小结12
第2章基于分形理论的电接触数学
模型13
2.1基于分形描述的粗糙表面形貌特征
研究13
2.1.1粗糙表面的分形描述方法14
2.1.2微凸体尺寸分布规律的统计
研究16
2.1.3微凸体简化轮廓模型的统计
研究21
2.1.4数值统计结果的实验验证26
2.2粗糙表面微凸体弹塑性接触形变特性
研究30
2.2.1微凸体弹塑性接触形变基础
理论30
2.2.2微凸体接触形变有限元分析
方法34
2.2.3微凸体弹塑性接触形变特性
分析37
2.2.4微凸体弹塑性形变经验公式
归纳43
2.3基于二维分形几何的电接触数学模型
研究45
2.3.1电接触数学模型的建立47
2.3.2电接触影响因素的分析58
2.3.3电接触模型的实验验证62
2.4小结66
第3章电接触材料概论67
3.1电触头的用途67
3.2对电接触材料基本特性的要求68
3.3电接触材料的分类与特性69
3.4小结72
第4章电弧能量作用及电接触材料的
响应73
4.1电极间发生的电弧放电及其特性74
4.1.1阳极型、阴极型电弧74
4.1.2电弧的状态及其转换75
4.1.3电弧停滞时间及电弧移动特性81
4.1.4电弧等离子体喷流及其特性86
4.1.5电弧对电极的热流输入和电弧力
效应87
4.2电触头材料的温升特性97
4.3电触头材料转移98
4.3.1触头材料转移现象98
4.3.2触头工作过程中非对称因素
分析99
4.3.3阳极向阴极的材料转移100
4.3.4阴极向阳极的材料转移102
4.3.5材料转移模式及转移方向反转102
4.4电触头材料的电弧侵蚀机理103
4.4.1触头材料对电弧热流输入和
力效应的一般响应过程104
4.4.2银基触头材料的电弧侵蚀机理110
4.4.3银基触头材料的侵蚀模式117
4.5电触头黏附与熔焊118
4.5.1黏附与熔焊的基本概念118
4.5.2静熔焊的形成机理118
4.5.3动熔焊的形成机理119
4.6接通电路过程中的电接触特性119
4.7电触头电弧侵蚀表面形貌特征122
4.8小结128
第5章电弧烧蚀过程的实验测量
方法129
5.1电弧烧蚀观测原理及实验方法129
5.1.1烧蚀行为的可视化原理129
5.1.2实验装置和实验方法130
5.1.3烧蚀行为的图像后处理方法133
5.2不同电极材料的熔池行为研究136
5.2.1熔池行为的高速摄影结果136
5.2.2燃弧过程中的熔池行为演变139
5.3不同电极材料的喷溅烧蚀特性研究144
5.3.1喷溅烧蚀行为的高速摄影结果144
5.3.2喷溅液滴的运动特征147
5.3.3喷溅液滴的空间分布154
5.4小结158
第6章电接触性能的试验、诊断及
触头选用160
6.1接触电阻及其影响因素的测试方法160
6.1.1接触电阻的测试方法160
6.1.2环境应力加速试验方法161
6.2材料侵蚀、转移、熔焊特性的试验及
诊断162
6.3电子显微分析技术在电接触研究中的
应用165
6.4小结168
第7章考虑栅片烧蚀金属蒸气的电弧
运动及栅片切割数学模型
研究170
7.1电弧仿真数学模型和边界条件171
7.1.1几何模型的建立和求解区域
划分171
7.1.2空气与铁蒸气混合物热力学
参数和输运参数173
7.1.3鞘层数学模型174
7.1.4边界条件175
7.2电弧模型求解平台的建立178
7.3栅片切割过程的仿真研究178
7.3.1考虑铁栅片烧蚀的电弧切割过程
的电弧特性计算结果178
7.3.2不考虑栅片烧蚀的切割过程181
7.3.3金属蒸气在切割过程中对电弧
特性的影响181
7.4实验研究与对比分析183
7.4.1实验装置与实验条件183
7.4.2实验结果183
7.5小结184
第8章复合镀层接点的电接触185
8.1静态接触的复合镀层接点的电接触185
8.2振动环境下复合镀层接点的电接触187
8.2.1不同振动方向的比较187
8.2.2不同复合镀层接点材料的比较190
8.2.3非对称配对时阴极和阳极的
比较192
8.2.4焊线时间对电接触性能的影响192
8.3插拔过程中复合镀层接点的电接触193
8.4复合镀层接点的磨损195
8.4.1电弧侵蚀对磨损的影响200
8.4.2磨损对电弧侵蚀的影响201
8.5复合镀层的组成原则及各镀层的
作用202
8.6小结203
第9章高压断路器中的电接触现象及
触头材料204
9.1对高压断路器触头材料的要求204
9.2真空断路器中的CuCr触头材料
性能206
9.3小结207
参考文献208
内容摘要
本书内容主要包括四个方面：①电接触现象的基础理论。主要介绍电接触产生、维持和消除过程中的物理、化学等现象的相关理论，包括电接触表面膜电阻的增值机理、电接触材料的侵蚀和转移理论等。②电接触材料。不同接触形式和工作条件对电接触材料的要求各有侧重，本书介绍了新型电接触材料的开发过程，以及如何从材料的组成和制造工艺两方面改善材料性能。③电接触试验和诊断技术。电接触产生、维持和消除过程中各种现象的观察测试都需要借助和开发先进的诊断技术，本书介绍了包括接触电阻和导电斑点温升测试技术、极间电弧特性测试技术、触头材料侵蚀和转移原位测试技术、接触表面形貌特征及电接触材料组织和成分的测试技术等。④电接触现象的数学模型。电接触是一个复杂的物理与化学过程，一些现象无法进行试验测试或费用太高，所以电接触的数学模型化也是一个非常重要的研究领域。本书对接触电阻的微观描述、接触材料烧蚀过程数学模型等方面的最新进展也进行了介绍。
本书是一部全面介绍电接触理论及应用的学术专著，内容不仅包含电接触现象的基本原理和研究发展脉络，还涉及该领域的最新研究进展与成果，对从事开关电器及电连接器等相关工业产品的科研设计人员、高校教师和学生都有很好的指导和参考意义。
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