表面鍍錫電連接器在低壓開關(guān)柜中失效分析

江 彬,蔣傳文（上海交通大學(xué),上海 200000）

表面鍍錫電連接器在低壓開關(guān)柜中失效分析

江 彬,蔣傳文
（上海交通大學(xué),上海 200000）

由于電連接器在國防、輸配電等領(lǐng)域的廣泛使用,對(duì)于連接器失效機(jī)制及其影響的研究也越來越引起重視。在電連接器表面鍍上具有特定功能金屬錫層已成為電連接研究的熱點(diǎn)之一。本文通過對(duì)某一表面鍍錫的樣品進(jìn)行多次往復(fù)的插拔試驗(yàn),研究了隨著接觸表面因發(fā)生相對(duì)位移所導(dǎo)致的接觸微動(dòng)現(xiàn)象，及其該現(xiàn)象對(duì)于電接觸性能的影響。

電連接器；電阻；鍍錫；微動(dòng)

1 引言

就目前而言通過深入的研究，人們普遍的了解到在航空航天領(lǐng)域，微動(dòng)腐蝕是造成連接器連接效果逐漸降低并最終完全失效的主要因素之一。但在智能化中高壓輸電和低壓配電領(lǐng)域，特別是智能化低壓配電開關(guān)柜局部領(lǐng)域還沒有引起人們的足夠重視。

智能化低壓開關(guān)柜的定義

第一類：采用智能化元器件的低壓開關(guān)柜。他是一智能化開關(guān)器件，智能化電力儀表，電機(jī)綜合保護(hù)裝置，饋電測(cè)控裝置為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各種信息匯總到柜內(nèi)的通信管理中心后，再通過工業(yè)以太網(wǎng)于電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互控制和交換信息。

第二類：具有全面信息化測(cè)控管理功能的低壓開關(guān)柜。此類開關(guān)柜內(nèi)信息采集摒棄了傳統(tǒng)的電流互感器，利用各類傳感器和控制器，實(shí)現(xiàn)三相電流，電壓及其相位差的采集，還可以采集柜內(nèi)各主回路一次搭接點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過柜內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)綔y(cè)控中心。

綜上通過智能化低壓開關(guān)柜的定義，可以看出智能化低壓開關(guān)柜內(nèi)大量的數(shù)據(jù)傳輸要求，而這些數(shù)據(jù)的傳輸離不開連接器。電連接器是智能化低壓開關(guān)柜接口配套部件，從帶測(cè)控功能的元器件到各種個(gè)測(cè)控傳感器，都對(duì)電連接器接觸良好性，工作可靠性，維護(hù)方便性提出了特別高的要求。其在物流運(yùn)輸和正常工作中要受到多種環(huán)境外力的影響，其中振動(dòng)和環(huán)境溫度是影響其連接可靠性的兩大因素。各種因素作用于連接器內(nèi)的公母插件，導(dǎo)致接觸部位摩擦和發(fā)生相對(duì)位移，所引發(fā)的接觸微動(dòng)現(xiàn)象將造成電接觸性能逐漸退化甚至完全失效。

2 電連接器的主要性能

電連接器基本性能包括機(jī)械性能、電氣性能和環(huán)境性能，電接觸失效是其主要失效形式，表現(xiàn)為接觸電阻增加以及連接瞬斷等。為了保證電連接器的可靠連接，接觸件材料一般選用摩擦損耗小，導(dǎo)電性能好、且不易產(chǎn)生應(yīng)力松弛的鈹青銅或銅合金材料;另外對(duì)連接器表面覆蓋電阻率較低、較耐腐蝕的鍍層的工藝處理也越來越被工廠所廣泛采用。

3 鍍層材料的選擇

電連接器是通過電接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體之間的電流導(dǎo)通和電信號(hào)傳輸?shù)?所以,要使接觸件觸點(diǎn)的接觸電阻小、使用壽命長(zhǎng)、具有一定的硬度和耐磨性以及良好的電氣性能等,就成為連接器電鍍中必須要考慮到的問題。

基底金屬上的鍍層材料不同，對(duì)連接的影響也不盡相同。通常采用的鍍層材料包括：金、銀和錫。

（1）金和銀的電阻率很低，抗被腐蝕氧化能力高，且材料表面不易產(chǎn)生絕緣的氧化膜層而影響接觸性能，但由于金和銀的價(jià)格相對(duì)昂貴，會(huì)帶來制造和加工成本的相應(yīng)提高。故鍍金和鍍銀工藝并未被企業(yè)廣泛地采用。

（2）相對(duì)于金和銀的高昂成本，錫的價(jià)格則便宜了許多。錫是銀白色的金屬，密度7.28g/cm3，熔點(diǎn)232℃，具有耐腐蝕、抗變色、無毒、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)。

鍍錫具有下列特點(diǎn)和用途：

1）化學(xué)穩(wěn)定性高，空氣中暴露抗氧化，耐變色，與硫化物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與其他強(qiáng)酸如稀硫酸、稀鹽酸、硝酸幾乎不反應(yīng)，具有較強(qiáng)的防腐特性。

2）錫為良導(dǎo)電金屬材料，易釬焊，所以常用以電子元器件引線、印刷電路板及低壓器件的電鍍；

3）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類的進(jìn)步，人類對(duì)于環(huán)保意識(shí)的不斷強(qiáng)化，錫因其無不無害的性質(zhì)而受到人們的廣泛使用。

4 鍍錫表面處理電連接器問題反饋

某型智能低壓開關(guān)柜在實(shí)際工程應(yīng)用中頻繁的接收到客戶的投訴：該開關(guān)智能控制測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常性的信息瞬斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸，甚至造成大面積的停電等嚴(yán)重事故。通過技術(shù)支持部門分析最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這些嚴(yán)重事故的原因是因?yàn)樵谠撔椭悄艿蛪洪_關(guān)柜內(nèi)大量應(yīng)用了用鍍錫做表面處理的電氣連接器。

5 鍍錫對(duì)電接觸的影響失效模式分析

本實(shí)驗(yàn)室對(duì)該型開關(guān)柜所用電連接器直插式電連接器進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。電連接器的樣品如圖1 所示。

在進(jìn)行連接器機(jī)械工作試驗(yàn)時(shí)，選擇8對(duì)接觸件作為試驗(yàn)樣本，測(cè)量其接觸電阻的初始值。每隔一月做40次插拔試驗(yàn)，每40次插拔試驗(yàn)后分別測(cè)對(duì)應(yīng)的接觸電阻值，共做360次插拔試驗(yàn)，得到的接觸電阻的測(cè)量值分別如表1所示。

當(dāng)接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),氧化膜在新位置中斷和更新鮮的錫流入接觸點(diǎn)。然而新暴露在最初的接觸點(diǎn)錫會(huì)氧化。當(dāng)接觸返回到其原始位置的周期重復(fù)和內(nèi)表面更新鮮的錫不斷暴露并氧化。氧化層厚度的增加,電阻會(huì)隨之增加。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),電接觸正變得不那么有效導(dǎo)致增加的接觸溫度,最終導(dǎo)致接觸失效。

6 分析與結(jié)論

圖1 電連接器樣品圖

表1 8對(duì)接觸件每經(jīng)過40次機(jī)械插拔試驗(yàn)后的電阻值(單位: mΩ)

該型電連接器，剛開始的200次機(jī)械插拔試驗(yàn)中，其接觸電阻的測(cè)量值變化比較大，而200 次機(jī)械插拔試驗(yàn)之后，其接觸電阻的測(cè)量值都開始趨向穩(wěn)定，沒有單調(diào)上升或單調(diào)下降的變化，也沒有忽升、忽降的變化。對(duì)于同類連接器制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，機(jī)械工作試驗(yàn)的次數(shù)可以定為200 次，在200 次以后，測(cè)得的接觸電阻可以反映此類產(chǎn)品穩(wěn)定工作時(shí)的接觸狀態(tài)或接觸可靠性。

通過對(duì)此型號(hào)產(chǎn)品的研究、試驗(yàn)和分析,確定了在本連接器表面鍍錫對(duì)該產(chǎn)品接觸電阻的影響,接觸電阻也是電連接器接通負(fù)載后產(chǎn)生接點(diǎn)溫升、自身發(fā)熱的主要原因。接觸件表面一般均涂覆有一定厚度的鍍錫層,鍍錫層雖具有一定的防腐蝕特性，但隨著觸點(diǎn)間相對(duì)微動(dòng)而產(chǎn)生磨損，使錫的氧化膜在新位置中斷和更新鮮的錫流入接觸點(diǎn)，循環(huán)往復(fù)后會(huì)不斷有更新鮮的錫暴露于空氣中發(fā)生新的氧化。氧化層的不斷增厚會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的逐漸增大，增大了電連接器接觸電阻值的分散程度,不利于提高固有可靠性、延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

以此試驗(yàn)分析在低壓開關(guān)柜制造過程中，凡是在滑動(dòng)連接處用到的電連接器禁止使用鍍錫表面處理工藝。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.205