AgNi15触头电性能试验研究

2016-10-13赵喜军乔鸣忠王华敏

船电技术 2016年9期

赵喜军乔鸣忠王华敏

AgNi15触头电性能试验研究

赵喜军1，2，乔鸣忠1，王华敏2

（1.海军工程大学，武汉 430033；2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文采用试验的方法，研究了模压烧结和模压烧结挤压两种不同工艺生产的AgNi15触头材料在抗熔焊、抗电损和分断能力方面所表现出来的差异。通过在特定样机上的试验，证实了不同的生产工艺对触头材料的电性能有一定的影响，并从理论上分析了造成影响的原因。

触头材料电性能 AgNi15

0 引言

AgNi触头材料具有良好的导电性、耐电磨损以及低而稳定的接触电阻，良好的塑性和可加工性，但也存在抗熔焊性差和机械强度低的不足[1]。本文以某型额定电压DC900V，额定电流2350A双极断路器为例，其触头材料采用模压烧结工艺生产的AgNi15板料。后来供应商基于提高AgNi15触头材料的抗电磨损和抗熔焊的目的改进了生产工艺，为了对改进工艺的有效性进行评价，本文采用试验的方法，研究了大电流使用条件下触头材料生产工艺的改变对触头材料电性能的影响。

1 AgNi15金相分析

电触头材料的金相组织是电触头材料最重要、最基本的性能之一，其性能直接影响到开关电器的电气性能、工作可靠性和寿命[3]。用金相分析的方法观察触头材料的金相组织、金相缺陷是触头材料研究的重要手段之一。

材料组别1 AgNi15触头材料的生产工艺为模压烧结挤压工艺，材料组别2 AgNi15触头材料的生产工艺为模压烧结工艺。两种材料银和镍的化学成分含量均符合GB/T 5588-2002的规定。金相组织如图1及图2。

从金相组织上看，采用模压烧结挤压工艺的材料组别1 AgNi15触头材料，镍在银基体中呈细微化纤维状分布，而采用模压烧结工艺的材料组别2 AgNi15触头材料，镍在银基体中呈颗粒状弥散分布。按照荣命哲等[4]小容量控制电器用新型AgNi基触头材料的研究，当镍纤维取向与工作表面平行时，工作性能更好。因此在触头片的切割中采用了工作表面与镍纤维取向平行排料方式。

2 试验研究

一般推荐分断电流较大时采用AgC与AgNi（40~50%Ni）配对使用[5]。但在实践中证明，分断直流大电流时，AgNi触头对具有优异的电弧运动性能，具有较高的分断能力，更适合做直流高速断路器的触头材料。因此本断路器采用了AgNi15触头材料配对，研究两种生产工艺的AgNi15触头对在抗熔焊、抗电损和灭弧性能方面的差异。

2.1 抗熔焊性能研究试验

触头的熔焊有动熔焊和静熔焊两种形式。动熔焊发生于接通或分断电路的操作过程中，而静熔焊主要由接触电阻产生。

首先采用短路关合低压大电流的方法来进行动熔焊的试验验证。断路器配有瞬动脱扣单元，可在短路关合低压大电流后自动断开，确保了试验过程的一致性。由于该断路器为高速断路器，设计的分闸力比较大，在多次关合45kA时两个材料组别的触头均未出现动熔焊情况。

对于静熔焊的试验验证，采用断路器承受短时耐受电流的试验方法，虽然由于电动斥力的作用，也有可能造成触头接触压力下降或斥开造成熔焊。但从试验波形上可看出是否出现斥开或接触电阻上升的情况。断路器在承受70ms、43kA电流后两种材料组别的触头形态如图3.从试验波形上看虽然触头未斥开，但分闸后两种材料组别的触头都有撕裂的痕迹。但材料组别2撕裂的区域明显比较大，材料组别1表现出了较好的抗熔焊性。

2.2 抗电损性能研究试验

抗电损性能通过电寿命试验来验证，试验参数为DC900 V，2350 A，=2 ms，经过350次电寿命试验后，两种材料组别AgNi15触头试验后触头形态见图4、图5。

图5材料组别2阴极上的凸起和阳极上的凹坑

材料组别1触头电损的形式主要表现为阴极与阳极之间的材料转移、阳极上大量的材料移位及两极上触头材料的少量脱落。

材料组别2触头电损的形式主要表现为阴极与阳极之间的材料转移、两极上触头材料的脱落及少量阳极上的材料移位。

材料组别1触头材料电损的情况略好于材料组别2，但其在触头表面上的移位情况必须重视。

2.3 分断能力研究试验

两种材料组别的触头，在DC900 V，=10 ms的条件下在断路器上分别进行了10 kA、5 kA、2.5 kA、1.25 kA、600 A、300 A、150 A及75 A的正反向分断试验以及DC900 V、33 kA、=10 ms的运行分断试验未出现明显差异。但在进行DC900 V、45 kA、=10 ms的极限分断试验中，执行CO操作时采用材料组别1的断路器分断失败，而采用材料组别2的断路器可顺利完成试验。对比采用材料组别1 AgNi15的断路器和采用材料组别2 AgNi15的断路器在单极进行DC350V、45kA、=10 ms，O—CO—CO试验时的波形，见图6、图7。从波形可以看出，材料组别1 AgNi15触头在分闸14 ms左右会出现显著的弧压跌落现象，该时间点和极限分断失败时出现弧压跌落的时间点是吻合的。材料组别2 AgNi15触头则无此现象。经故障复现，发现该现象在本型断路器上具有必然性。

3 试验结果分析

3.1抗熔焊性能比较

从试验结果看，材料组别1表现出了较好的抗熔焊性。这是因为模压烧结后的挤压工艺，有利于镍颗粒的细微化和纤维化，纤维化后的AgNi触头材料具有了各向异性的特性，纤维方向与挤压方向相同，工作面平行于挤压方向时材料具有较好的抗熔焊能力。这在很多文献中有记载，试验证实了这一点。

3.2 抗电磨损性能比较

AgNi触头材料配对直流分断的电磨损主要表现形式为材料的转移。材料组别1触头材料电损的情况略好于材料组别2，但其在触头表面上的移位情况表明分断过程中出现了较多的液态金属电弧。断路器分断过程中，触头表面液池中的熔化金属在电弧作用力的驱动下能以一定的流速流动[2]，并产生液态喷溅，这就造成了触头材料宏观上的移位及脱落。采用模压烧结挤压工艺的AgNi15，在电寿命试验中表现出了更显著的移位而非喷溅脱落。

3.3 分断性能比较

从分断能力看，在DC900 V，33 kA以下，两种工艺的触头材料无本质性差异。但在分断DC900 V，45 kA时，采用模压烧结挤压工艺的AgNi15触头材料的样机分断失败。

模压烧结挤压工艺的AgNi15触头材料金相组织表明Ni颗粒细微化纤维化分布于Ag颗粒中，分析认为，正是这种金相组织，当分断时，由于少量析出的Ag迅速汽化，低沸点的Ag（沸点2193℃）蒸气束流使沸点较高的Ni（沸点2837℃）的相邻部位冷却，这些部位把在那里形成的电弧弧根包围住，产生金属熔池，因而阻碍电弧迁移。细微化纤维化的镍颗粒，密集了金属熔池，形成液态金属电弧降低了弧根运动速度。特别是在分断大电流时，弧根移动相对较慢，会导致触头区域游离气体较多，造成弧后击穿，产生触头区域电弧重燃。

4 结论

本文采用试验的方法研究了采用模压烧结和模压烧结挤压两种工艺的AgNi15触头材料在直流重负载下抗熔焊、抗电磨损和分断能力方面的性能，得出以下结论：1）AgNi15触头材料采用模压烧结挤压工艺，使触头材料具有了各向异性的特性，工作面与纤维方向（压延方向）平行时具有较好的抗熔焊性能。2）AgNi15触头对电损的主要形式为材料转移，这时由材料分断直流电流的固有特性决定的。同时伴有液态流动和喷溅，这与材料的金相组织密切相关。液态流动方面，模压烧结挤压工艺的触头材料较模压烧结工艺的触头材料突出些，而喷溅方面，模压烧结工艺的触头材料较模压烧结挤压工艺的触头材料突出些。

3）从分断能力而言，在本研究试验的样机上，DC900 V，33kA@10 ms以下的分断中无明显区别，但在DC900 V，45 kA@10 ms极限短路通断中，模压烧结挤压工艺的触头材料出现了2次试验失败，与采用模压烧结工艺的触头可顺利完成试验形成鲜明对比。