影响低压抽出式成套开关设备主电路用接插件触头接触电阻的重要因素和解决建议

影响低压抽出式成套开关设备主电路用接插件触头接触电阻的重要因素和解决建议

麦永升

麦永升

（广东怡信电力工程有限公司广东佛山528200）

摘要：本文从低压抽出式成套开关设备面临的发热问题，提出了影响接插件触头接触电阻的重要因素和失效机理，重点从4方面提出解决建议，并用实际案例说明需要综合运用解决措施以降低接插件触头接触电阻。

关键词：接触电阻；接插件；接触压力；接触形态；接触材料；运行环境

引言

低压抽出式成套开关设备在向紧凑化、模块化、标准化方向发展的过程中，面临着主电路接插件动静触头发热的问题，这要求接插件的接触电阻在低压抽出式成套开关设备的正常使用过程中保持相对稳定，从而控制温升。

1影响接插件触头接触电阻的重要因素

电流在导体接触面内通过导电斑点传导。电流在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的线路增加，有效传导电流的面积减少，因而出现局部的附加电阻，称为收缩电阻。如果电流通过的导电斑点不是纯金属接触，而是存在可导电的表面膜，则还存在另一附加电阻，称为膜电阻。这两部分附加的总电阻称为接触电阻。

影响接插件接触电阻的因素可分为以下3类，通常情况下以其中的（1）和（2）类为主：

（1）由运行环境控制的性能因素，包括机械因素（如机械载荷等）、电气因素（如运行电压等）、外环境因素（如湿度等）；

（2）由生产制造性能决定的设计-工艺因素，包括接触材料特性、镀层的质量、接触面的微观形貌和几何形状等；

（3）不可控制的或随机的因素，如冲击等。

各种因素综合影响了导体的接触过程，使之变得复杂，难以用统一的模型解释清楚。但是，接插件动静触头的接触劣化物理表现较相似，有着大体相同的失效机理。

图1接插件失效机理示意图

这提示我们可以通过改变影响接插件接触电阻的部分重要因素而打破这一循环，从而提高接插件的可靠性。

一般情况下，电气因素主要由电网和负荷特性决定；低压抽出式成套开关设备的主电路接插件一般不作频繁插拔，可按静态条件考虑，机械磨损和电弧侵蚀可忽略。

2接触压力

接插件动静触头的接触压力是性能因素中的重要影响因素。据文献[2]显示，接触压力从50N到100N，延长了接触电阻升高的起始时间，接触寿命增长了5倍。

解决建议：

（1）设计接插件结构时注意提高动静触头接触压力；

（2）优选耐热、耐疲劳、形状记忆特性更好的材料；

（3）维护、检修时更换为动静触头接触压力更大的接插件。

但文献[3]也提醒：随着接触压力的增大，接触电阻减小，当接触压力增大到某一数值时，接触电阻保持不变。增加的接触压力可能使产品尺寸增加，甚至影响使用寿命。所以要根据实际情况，在合适范围内确定接触压力，以控制成本、保证设备可靠性。

3接触形态

接触形态分为3种：点接触、线接触和面接触。3种接触形态中，面接触的导电斑点最多，因而其收缩电阻最小；点接触导电斑点最少，因而其收缩电阻最大；线接触介于二者之间。

假设接触时触头材料每个导电斑点是相同时，那么在接触压力作用下每个导电斑点会将接触压力平均分配，即

f1=f/n（1）

式中：f1--每个导电斑点的压力；

f--接触压力；

n--导电斑点数量。

点接触导电斑点最少，面接触导电斑点最多，在接触压力相同情况下，点接触每个导电斑点的压力要大于面接触，在较大压力下触头表面的膜容易被破坏，从而使膜电阻降低。

因此，接触形态对收缩电阻和膜电阻呈现不同的影响，点接触收缩电阻最大而膜电阻最小，面接触收缩电阻最小而膜电阻最大。

根据文献［3］，纯铜接触电阻与接触形式、接触压力的关系是：当接触压力较小时，面接触的接触电阻不一定比点接触或线接触的接触电阻小。

在接触压力不太小而避免出现这种情况的条件下，建议可通过以下途径减少接插件的接触电阻：

（1）设计接插件结构时注意增加接插件实际接触面积，如多触点等；

（2）做好接触表面处理，如清除芒刺和瑕疵或涂导电膏等；

（3）增加动静触头接触压力；

（4）维护、检修时更换为实际接触面积更大的接插件。

4接触材料

当接触金属相同时，收缩电阻和导电斑点直径有下列关系：

Rc=ρ/d（2）

式中：Rc--收缩电阻；

ρ--电阻率；

d--导电斑点直径。

因此，较低的电阻率可以降低接触电阻。此结论也适用于接触金属不相同的情况。

接触压力Fc与导体硬度H、名义接触面积Aa有以下关系：

Fc=ζHAa（3）

因此，在一定的接触压力下，较小的硬度可减小接触电阻。

所以，接插件接触材料除具备高的化学稳定性和合适的热物理性质外，还需要考虑电阻率、硬度。

解决建议：在生产制造触头材料过程中，除了考虑触头材料内部组织稳定外，选用电导率和硬度均低的合适材料，同时使用弹簧或其它机构保证接触压力。

5运行环境

接插件动静触头的缝隙较多、暴露面积较大，空气中的污染物（如粉尘等）和水分容易造成动静触头发生化学、电化学腐蚀，从而增加接触电阻。所以应做好运行环境管理。

针对工作环境较差的产品用户的解决建议：

（1）设立独立封闭的配电间，必要时配置空调、净化器类的设备；

（2）配电柜的通风口加设过滤网等，必要时使用风扇强迫通风；

（3）做好接插件运行温度监测，定期维护保养。

（下转第152页）

6案例

佛山某卫生用品厂主要生产妇女卫生巾，实行两班制生产，空气环境中存在较多的无纺布絮。2014年8月1日-2016年5月12日期间，配置了空调的独立封闭的配电间内低压抽出式成套开关设备21次异常情况中13次表现为接插件触头发热变色。经分析，原因是：设备负荷大，运行温度高，加上通风散热条件差，造成了设备长时间处在温度高的运行环境中，导致接插件内部金属疲劳而使动静触头接触不良，继而再把温度推高，使接插件、螺栓、线耳氧化发黑。

经采取以下措施后，发热问题得到有效解决：

（1）更换为实际接触面积更大、质量更好的接插件；

（2）加大配电柜的通风口面积，通风口加设过滤网，使用风扇强迫通风散热；

（3）实施接插件运行温度每班监测，定期维护保养。

7结语

降低低压抽出式成套开关设备主电路用接插件触头接触电阻，可提高接插件的可靠性。影响接插件触头接触电阻的因素有多种，需要根据实际情况综合考虑，灵活运用相应的解决措施。但应注意从源头上解决，加强设计-工艺、选型-采购环节管理。

参考文献：

[1]荣命哲.电接触理论.北京：机械工业出版社，2004：7，24-25，149-151

[2]米兰科·布朗诺维克（MilenkoBraunovic），瓦乐里V.康奇兹（ValeryV.Konchits），尼克莱K.米西金（NikolaiK.Myshkin）.电接触理论、应用与技术.北京：机械工业出版社，2015：5-6，179-181，252-256

[3]王珩，刘兰兰，颜小芳，等.电触头材料接触电阻研究分析.电器与能效管理技术，2017（NO.17）：22-23

作者简介：

麦永升（1979-），男，工程师，主要从事电气设备安装、维护和工程管理。