AgNi15觸頭電性能試驗研究

趙喜軍喬鳴忠王華敏

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AgNi15觸頭電性能試驗研究

趙喜軍1，2，喬鳴忠1，王華敏2

（1.海軍工程大學，武漢 430033；2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文采用試驗的方法，研究了模壓燒結和模壓燒結擠壓兩種不同工藝生產的AgNi15觸頭材料在抗熔焊、抗電損和分斷能力方面所表現(xiàn)出來的差異。通過在特定樣機上的試驗，證實了不同的生產工藝對觸頭材料的電性能有一定的影響，并從理論上分析了造成影響的原因。

觸頭材料 電性能 AgNi15

0 引言

AgNi觸頭材料具有良好的導電性、耐電磨損以及低而穩(wěn)定的接觸電阻，良好的塑性和可加工性，但也存在抗熔焊性差和機械強度低的不足[1]。本文以某型額定電壓DC900V，額定電流2350A雙極斷路器為例，其觸頭材料采用模壓燒結工藝生產的AgNi15板料。后來供應商基于提高AgNi15觸頭材料的抗電磨損和抗熔焊的目的改進了生產工藝，為了對改進工藝的有效性進行評價，本文采用試驗的方法，研究了大電流使用條件下觸頭材料生產工藝的改變對觸頭材料電性能的影響。

1 AgNi15金相分析

電觸頭材料的金相組織是電觸頭材料最重要、最基本的性能之一，其性能直接影響到開關電器的電氣性能、工作可靠性和壽命[3]。用金相分析的方法觀察觸頭材料的金相組織、金相缺陷是觸頭材料研究的重要手段之一。

材料組別1 AgNi15觸頭材料的生產工藝為模壓燒結擠壓工藝，材料組別2 AgNi15觸頭材料的生產工藝為模壓燒結工藝。兩種材料銀和鎳的化學成分含量均符合GB/T 5588-2002的規(guī)定。金相組織如圖1及圖2。

從金相組織上看，采用模壓燒結擠壓工藝的材料組別1 AgNi15觸頭材料，鎳在銀基體中呈細微化纖維狀分布，而采用模壓燒結工藝的材料組別2 AgNi15觸頭材料，鎳在銀基體中呈顆粒狀彌散分布。按照榮命哲等[4]小容量控制電器用新型AgNi基觸頭材料的研究，當鎳纖維取向與工作表面平行時，工作性能更好。因此在觸頭片的切割中采用了工作表面與鎳纖維取向平行排料方式。

2 試驗研究

一般推薦分斷電流較大時采用AgC與AgNi（40~50%Ni）配對使用[5]。但在實踐中證明，分斷直流大電流時，AgNi觸頭對具有優(yōu)異的電弧運動性能，具有較高的分斷能力，更適合做直流高速斷路器的觸頭材料。因此本斷路器采用了AgNi15觸頭材料配對，研究兩種生產工藝的AgNi15觸頭對在抗熔焊、抗電損和滅弧性能方面的差異。

2.1 抗熔焊性能研究試驗

觸頭的熔焊有動熔焊和靜熔焊兩種形式。動熔焊發(fā)生于接通或分斷電路的操作過程中，而靜熔焊主要由接觸電阻產生。

首先采用短路關合低壓大電流的方法來進行動熔焊的試驗驗證。斷路器配有瞬動脫扣單元，可在短路關合低壓大電流后自動斷開，確保了試驗過程的一致性。由于該斷路器為高速斷路器，設計的分閘力比較大，在多次關合45kA時兩個材料組別的觸頭均未出現(xiàn)動熔焊情況。

對于靜熔焊的試驗驗證，采用斷路器承受短時耐受電流的試驗方法，雖然由于電動斥力的作用，也有可能造成觸頭接觸壓力下降或斥開造成熔焊。但從試驗波形上可看出是否出現(xiàn)斥開或接觸電阻上升的情況。斷路器在承受70ms、43kA電流后兩種材料組別的觸頭形態(tài)如圖3.從試驗波形上看雖然觸頭未斥開，但分閘后兩種材料組別的觸頭都有撕裂的痕跡。但材料組別2撕裂的區(qū)域明顯比較大，材料組別1表現(xiàn)出了較好的抗熔焊性。

2.2 抗電損性能研究試驗

抗電損性能通過電壽命試驗來驗證，試驗參數(shù)為DC900 V，2350 A，=2 ms，經過350次電壽命試驗后，兩種材料組別AgNi15觸頭試驗后觸頭形態(tài)見圖4、圖5。

圖5材料組別2陰極上的凸起和陽極上的凹坑

材料組別1觸頭電損的形式主要表現(xiàn)為陰極與陽極之間的材料轉移、陽極上大量的材料移位及兩極上觸頭材料的少量脫落。

材料組別2觸頭電損的形式主要表現(xiàn)為陰極與陽極之間的材料轉移、兩極上觸頭材料的脫落及少量陽極上的材料移位。

材料組別1觸頭材料電損的情況略好于材料組別2，但其在觸頭表面上的移位情況必須重視。

2.3 分斷能力研究試驗

兩種材料組別的觸頭，在DC900 V，=10 ms的條件下在斷路器上分別進行了10 kA、5 kA、2.5 kA、1.25 kA、600 A、300 A、150 A及75 A的正反向分斷試驗以及DC900 V、33 kA、=10 ms的運行分斷試驗未出現(xiàn)明顯差異。但在進行DC900 V、45 kA、=10 ms的極限分斷試驗中，執(zhí)行CO操作時采用材料組別1的斷路器分斷失敗，而采用材料組別2的斷路器可順利完成試驗。對比采用材料組別1 AgNi15的斷路器和采用材料組別2 AgNi15的斷路器在單極進行DC350V、45kA、=10 ms，O—CO—CO試驗時的波形，見圖6、圖7。從波形可以看出，材料組別1 AgNi15觸頭在分閘14 ms左右會出現(xiàn)顯著的弧壓跌落現(xiàn)象，該時間點和極限分斷失敗時出現(xiàn)弧壓跌落的時間點是吻合的。材料組別2 AgNi15觸頭則無此現(xiàn)象。經故障復現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象在本型斷路器上具有必然性。

3 試驗結果分析

3.1抗熔焊性能比較

從試驗結果看，材料組別1表現(xiàn)出了較好的抗熔焊性。這是因為模壓燒結后的擠壓工藝，有利于鎳顆粒的細微化和纖維化，纖維化后的AgNi觸頭材料具有了各向異性的特性，纖維方向與擠壓方向相同，工作面平行于擠壓方向時材料具有較好的抗熔焊能力。這在很多文獻中有記載，試驗證實了這一點。

3.2 抗電磨損性能比較

AgNi觸頭材料配對直流分斷的電磨損主要表現(xiàn)形式為材料的轉移。材料組別1觸頭材料電損的情況略好于材料組別2，但其在觸頭表面上的移位情況表明分斷過程中出現(xiàn)了較多的液態(tài)金屬電弧。斷路器分斷過程中，觸頭表面液池中的熔化金屬在電弧作用力的驅動下能以一定的流速流動[2]，并產生液態(tài)噴濺，這就造成了觸頭材料宏觀上的移位及脫落。采用模壓燒結擠壓工藝的AgNi15，在電壽命試驗中表現(xiàn)出了更顯著的移位而非噴濺脫落。

3.3 分斷性能比較

從分斷能力看，在DC900 V，33 kA以下，兩種工藝的觸頭材料無本質性差異。但在分斷DC900 V，45 kA時，采用模壓燒結擠壓工藝的AgNi15觸頭材料的樣機分斷失敗。

模壓燒結擠壓工藝的AgNi15觸頭材料金相組織表明Ni顆粒細微化纖維化分布于Ag顆粒中，分析認為，正是這種金相組織，當分斷時，由于少量析出的Ag迅速汽化，低沸點的Ag（沸點2193℃）蒸氣束流使沸點較高的Ni（沸點2837℃）的相鄰部位冷卻，這些部位把在那里形成的電弧弧根包圍住，產生金屬熔池，因而阻礙電弧遷移。細微化纖維化的鎳顆粒，密集了金屬熔池，形成液態(tài)金屬電弧降低了弧根運動速度。特別是在分斷大電流時，弧根移動相對較慢，會導致觸頭區(qū)域游離氣體較多，造成弧后擊穿，產生觸頭區(qū)域電弧重燃。

4 結論

本文采用試驗的方法研究了采用模壓燒結和模壓燒結擠壓兩種工藝的AgNi15觸頭材料在直流重負載下抗熔焊、抗電磨損和分斷能力方面的性能，得出以下結論：1）AgNi15觸頭材料采用模壓燒結擠壓工藝，使觸頭材料具有了各向異性的特性，工作面與纖維方向（壓延方向）平行時具有較好的抗熔焊性能。2）AgNi15觸頭對電損的主要形式為材料轉移，這時由材料分斷直流電流的固有特性決定的。同時伴有液態(tài)流動和噴濺，這與材料的金相組織密切相關。液態(tài)流動方面，模壓燒結擠壓工藝的觸頭材料較模壓燒結工藝的觸頭材料突出些，而噴濺方面，模壓燒結工藝的觸頭材料較模壓燒結擠壓工藝的觸頭材料突出些。

3）從分斷能力而言，在本研究試驗的樣機上，DC900 V，33kA@10 ms以下的分斷中無明顯區(qū)別，但在DC900 V，45 kA@10 ms極限短路通斷中，模壓燒結擠壓工藝的觸頭材料出現(xiàn)了2次試驗失敗，與采用模壓燒結工藝的觸頭可順利完成試驗形成鮮明對比。

參考文獻:

[1] 蔣德志，章杰，白婭玲，等.AgNi觸頭材料應用性能及其主要制備工藝[J].電工材料,2014,(3):19-23.

[2] 榮命哲.電接觸理論[M].西安：西安交通大學電器教研室，1995.

[3] 電觸頭材料金相試驗方法：GB/T 26871-2011 [S].2011.

[4] 榮命哲，王長明. 小容量控制電器用新型AgNi基觸頭材料的研究[J].中國電機工程學報,1999,(1):62-66.

[5] Paul G.Slade. Electrical contacts principles and applications (Second edition)[M].CRC Press，2014.

Test and Research on Electric Properties of AgNi15 Contact Materials

Zhao Xijun1,2, Qiao Mingzhong1, Wang Huamin2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

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1003-4862（2016）09-0065-03

2015-05-15

趙喜軍(1975-),男，高級工程師。研究方向：電子電器。