银基触头在机车电器中的电弧侵蚀反应及维护

机车电器中银基触头的电弧侵蚀反应及维护摘要：以银钨（AgW）系触头为主，介绍了电触头材料的组成，触头的电弧侵蚀机理和侵蚀形貌特征。结合其在机车电器上的典型应用，分析了电触头在维修维护方面应注意的一些问题。关键词：AgW系触头电弧侵蚀侵蚀形貌骨架电空接触器组合接触器前言合金触头在机车电器上应用十分广泛，本文以触头中的银基银钨系触头为切入点，探讨了触头的材料和电弧侵蚀机理等。基于检修的目的，从触头侵蚀形貌到检修操作行为上作了一些探讨，以期加深了解、增进认识，保证有效的发挥触头性能，提高产品质量。1.电触头材料组成目前，有触点电器广泛应用的触头材料主要有四种,AgMeO系（银金属氧化物）、AgNi系、AgC系、AgW系（包括AgWC）。主要包含两个组成部分。一是可以高导电率的银，它具有良好的抗氧化、抗氮化性能；另一种是决定电弧分断性能的第二组分°AgW系触头中将银的高导电传热性与钨的高抗侵蚀性结合为一体，难熔材料重量比例在20％－60％之间，随着钨的含量增加，硬度增大。2•银钨（AgW）系触头材料电弧侵蚀机理。由于机车电器触头采用材料的基本型式是银碳化钨粉末冶金触头，所以，就以银钨（AgW）系触头为对象介绍触头的电弧侵蚀机理。当电弧高温作用于触头下时，Ag首先熔化蒸发，Ag的蒸发有助于降低弧根处的温升，从而降低材料的飞溅。而Ag的蒸发造成大量Ag的侵蚀。同时，接触斑点区域钨的微粒被烧结在一起，形成可限制液态银流动的骨架，使得材料的耐磨性得到提高。钨骨架作用还可增加AgW材料的抗熔焊性，这是因为Ag被烧损之后接触表面得以高熔点材料钨为主，且银的烧损，使材料表面层组织疏松，使触头熔焊处变脆熔焊力减弱。由此可见，AgW材料真正的骨架作用并不是在粉末冶金法制造中产生，而是在电流负荷下出现的，是AgW材料对电弧作用的主要响应。在下一节触头表面侵蚀形貌中AgWC12C3触头的试验数据也证明了这一点。Ag-W合金的导电率比银低，又容易生成氧化钨和钨酸银表面膜，在使用中容易发生接触电阻增大和温升过高的问题，并且还是电路短路时触头焊住的原因之一。为此，开关需一定接触压力或闭合时触头有研磨动作，此时，研磨的作用应得到保证。电触头表面侵蚀形貌触头熔层表面形貌是电弧侵蚀的作用结果，又反过来影响着电弧的进一步侵蚀程度。银基触头在电弧作用下，表现出复杂的电弧侵蚀形貌。在触头表面电弧侵蚀形貌的不同区域，触头的运用不同时期会有不同的特征。银基触头表面形貌主要可分以下5类：富银区。富银区的产生是由于Ag的熔化流动或喷溅沉积形成，对于AgMeO触头材料，这种形貌特征十分明显。富银区的形成使触头表层成分分布不均匀，并且容易发生液滴喷溅，所以设法限制液态Ag流动作用使其不致形成大片区，将是很有意义的。通过增加第三组元，改善Ag对WC或MeO的润湿性，（润湿作用是指液体在固体表面扩展铺开的现象）可以抑制大片富银区的形成。试验报道AgWC12C3触头在单次分断600A电流时表面仍可以看到许多银含量很高的富银区，在分断100A电流，操作300次时可见狭长银带，操作500次就很难再找到富银区了。骨架和结构疏松。对AgW系触头材料，骨架的形成正是它具有高抗电弧侵蚀性能的原因。同时由于电弧的反复作用，会在触头表面产生一些组织结构缺陷（例如空位、错位、气孔、裂纹等）结果导致焊层的结构疏松。这样有可能发生触头材料的脱落现象，抑制结构疏松的途径，是通过添加润湿剂使微小的银液滴更容易地流入或限制在疏松结构的缝隙里，从而起到对疏松结构的填补聚合作用。在AgMeO触头中也存在结构疏松问题。气孔和裂纹。这类形貌特征在各类银基触头材料表面熔层都会有表现。气孔常发生在富银区而裂纹常发生在富银区以外的区域。有关试验观测，AgWC12C3触头在分断100A电流，操作1000次以上时，用电子显微镜观察未发现气孔，但有微米级的微观裂纹开始产生。适当含量的银和第三相粒子的润湿作用使熔融银充满并填平裂缝，有利于防止裂纹的产生和裂纹产生后的发展。难熔相聚集区。在AgMeO触头中，相对于富银区有MeO聚集区。正面影响是有利于限制液银流动，减少材料损失。但MeO一般较脆，易产生裂纹。解决途径仍然是增大Ag对WC或MeO的润湿性。浆糊状尖峰。主要是在液态金属具有一定粘性，冷凝速度很快的情况下形成。以上5种情况，在交流电弧和直流电弧作用下都有所体现。但是，在直流电路中，由于电弧对电极热流输入和电流力效应不对称，将引起明显的材料转移。该转移由于“长弧”和“短弧”以及“大功率电弧”的作用机理不同，表现也不同。总的来说是一个触头相对损失材料，一个触头相对得到材料，当然得到材料不一定能够弥补自身的损失。在交流电路中，由于极性的频繁转换，常规应用时动静触头材料相同。在理想状态下没有极性作用和热能转移作用，因此可以认为不发生材料转移现象，但是在磁吹等外条件作用下，材料损失并不对称。银基触头在机车电器中的应用应用范围银碳化钨粉末冶金触头具有银的良好导电性，同时又具有钨的高熔点高硬度、耐电弧腐蚀、抗熔焊、金属转移小的特性在机车高压主回路中得到广泛应用。目前电力机车和内燃机车的各种电空接触器、和组合接触器（内燃机车）触头材料的基本型就是银碳化钨粉末冶金触头，通常另含有少量镍或其他金属，以改善银对钨的润湿性，并使钨活化烧结，提高触头的综合性能。例如TCK7600/1500电空接触器使用Ag-WC10触头；在内燃机车组合接触器和电控接触器上广泛使用了Ag-WC12-C]-Ni触头。AgMeO触头在机车上的应用也较为广泛。应用方式为了迅速使弧根运动，减小电弧侵蚀，分断机车牵引电机的电空接触器外加磁吹磁场的方式帮助灭弧；为了消除表面膜电阻的影响，主触头在闭合式有滚动和研磨过程，使导电区域（触头最终接触线）和燃弧区域（触头开始接触线和最后分开线）分开，并去除触头表面氧化膜，保证良好的接触，能够避免电弧烧损正常工作的导电区域。另外，由于牵引电机主机绕组电阻很小，绕组两端压降一般不到10V,分断磁场削弱电阻又是阻性负载，电弧能量低，所以控制磁场削弱电阻投入和分断的电空接触器（内燃机车为组合接触器）没有外加磁场也没有使用灭弧罩灭弧。典型电器主触头宏观侵蚀形貌受检测条件限制，未能对触头作微观的侵蚀形貌分析，仅从宏观上作大致的分析。4.3.1电空接触器在有外加磁场存在情况下，电弧移动速度快，触头一分离，电弧即作高速运动，抑制了电弧停滞时间，减少液态金属的产生。但大电流时，电弧的温度极高，触头间距离又大，在电动吹弧力作用下，再加上强烈的金属蒸汽热浪冲击，往往把液桥金属从金属表面吹出，向外飞溅。电弧侵蚀反应表现为两个后果：一，触头边缘向导弧角方向有金属材料凝积；二，金属蒸汽再度沉积于触头表面的几率大大减小，阴极阳极都材料损失，一般情况下由于阳极温度高于阴极，所以磨损较为严重。4.3.2组合接触器组合接触器没有灭弧装置，相对电弧停滞时间较长，电弧移动速度较电空接触器低，触头使用寿命初期触头侵蚀和材料转移特征明显。组合接触器分断电弧能量虽然较小，但分断电流较大，一般200－300A左右，因此电弧侵蚀主要为液态喷溅和气化蒸发侵蚀。对于喷溅引起的材料侵蚀，由于复合材料的采用，难以形成大片的液池故限制了液态喷溅产生的材料损耗。小的液态金属池，在大电流下液池中心受到拉力，边缘受到挤压，从而产生“中心喷溅”，材料大多脱离触头基体，因而材料损耗相对于小电流时的“边缘喷溅”严重。由于触头开距较大，范围在16—19mm,会出现两触头重量皆减的情况。在两个触头表面呈现点状浅坑，只是由于电弧输入两触头的能量大小和热流密度不同，引起的侵蚀并不相等。4.4触头维护从电弧反应的机理和电触头表面侵蚀形貌可以看出，产生一定的烧灼、材料损失和表面结构变化是不可避免的，所以银或银基粉末冶金制成的触头表面有烧毛、发黑的现象是正常的，是触头材料对电弧作用的反应,不会影响其实际工作能力，一般可不必清理。如触头接触线处有金属颗粒或毛刺，可以用细锉轻轻锉平，尽量避免使用砂纸，以免细微砂粒嵌入银层之中。银碳化钨触头多次操作形成的骨架，是形成触头良好抗熔焊、耐侵蚀性能的开端是其电接触寿命的黄金时期。银基触头，在表面层状况具有一定粗糙度，比如表面微观结构多孔呈鱼鳞状时，材料侵蚀受电弧能量的影响较小，侵蚀量相对较小。反之，如果表面状况光洁，则材料侵蚀量对电弧能量作用反应敏感,这些主要是因为表面粗糙度影响接触斑点数量的结果。我们再来看一段ABB接触器维护资料里的一段话：“如果仅是触头表面粗糙及变色，此时触头并未破坏及完全磨损。在下面的图片中，触头看上去比较差，但经验告诉我们，下面的触头比一套新的还要好。这是因为触头已经“电气对位”，整个触头表面已完全接触。根据这一点，如果仅仅根据触头表面外观来判断是否需要更换触头，可能是完全错误的„„当今，随着触头材料的发展及接触器性能的提高，锉、打磨或其他尝试修复触或触头表面的方法都是不需要的。根据以往的经验，这样作会增加产生其它问题的风险。”在AC-3在AC-3应用中，动作少数次的触头外观在AC-3应用中，触头达到“良好磨合”程度因此，触头多次开断后造成的表面劣化，只要在接触线区域无膏点形成和表面严重劣化现象，一般无须进行表面打磨。因为此时打磨无论如何是达不到车下检修时的平整度，修锉后触头工作状态反而不好，触头的电弧反应又需重新开始，增加了材料损失和接触不可靠性。正常情况下，随着触头骨架逐步形成，或“电气磨合”的完成，触点自然进入良好的抗熔焊和耐磨损状态。具体情况具体分析，也不能忽视触头的实际情况。需要明确的是，如果出现以下几种情况，则必须重新检修或更换触头：（1）触头如有开焊、裂缝应更换触头；（2）触头出现严重熔蚀，出现掉块、深坑须更换；（3）触头熔蚀较严重，但经检修能保证规定限度（或其他相关要求）的，可以加工处理而不更新。5.结束语电接触技术是一门复杂的学科，涉及电磁