連續(xù)通電條件下觸點(diǎn)接觸電阻劣化的初步分析

張 超，任萬(wàn)濱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

引言

觸點(diǎn)材料廣泛應(yīng)用于各類接觸器、斷路器、繼電器、照明開(kāi)關(guān)、故障電流開(kāi)關(guān)及輔助開(kāi)關(guān)中，其工作電流從幾安培至幾千安培不等，不同工業(yè)需求使觸點(diǎn)材料的成分、制備工藝與尺寸結(jié)構(gòu)各異[1]。觸點(diǎn)在電器開(kāi)關(guān)內(nèi)完成導(dǎo)通、分?jǐn)嚯娏鞴δ?，因此其電接觸性能已成為影響電氣與電子工程可靠性的關(guān)鍵。工程應(yīng)用中通常期望電接觸部位對(duì)電氣回路電流的阻礙作用為零，即接觸電阻為零。然而大量研究表明，電器接觸部位的電阻或多或少地存在，接觸電阻過(guò)高，會(huì)使觸點(diǎn)表面產(chǎn)生溫升，從而可能導(dǎo)致觸頭產(chǎn)生永久變形，甚至發(fā)生熔焊現(xiàn)象；而且由于觸點(diǎn)上電壓損失過(guò)高，會(huì)使低電平的邏輯控制電路邏輯混亂，影響電器工作可靠性，從而降低了電器的使用壽命。

當(dāng)前，電器開(kāi)關(guān)逐漸向“小型化、低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠”等方向發(fā)展，因此對(duì)于觸點(diǎn)材料的關(guān)注主要集中在接觸電阻、接觸溫升、熔焊強(qiáng)度、電弧燒蝕率和磨損率等相關(guān)參數(shù)[2-5]。考慮到電接觸應(yīng)用的特殊性，因此對(duì)觸點(diǎn)材料關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)也存在一定差異。如光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的大功率繼電器，雖然觸點(diǎn)分?jǐn)嚅]合的周期為每天一次，但觸點(diǎn)的工況具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)通電的特點(diǎn)。且隨著服役時(shí)間的增加，繼電器會(huì)出現(xiàn)接觸電阻逐漸增大超出閾值的失效案例。

本研究針對(duì)觸點(diǎn)連續(xù)通電條件下的接觸電阻失效問(wèn)題，研究了接觸壓力、通電時(shí)間、電流對(duì)接觸電阻的影響，為進(jìn)一步確定觸點(diǎn)材料電接觸性能的劣化機(jī)理提出了探索思路。

1 試驗(yàn)方法

觸點(diǎn)連續(xù)通電試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械裝置如圖1所示，裝置主要由底座、兩個(gè)水平移動(dòng)滑臺(tái)、兩個(gè)壓力傳感器和觸點(diǎn)夾具組成。通過(guò)調(diào)節(jié)水平滑臺(tái)可以改變觸點(diǎn)對(duì)間的相對(duì)位移。借助動(dòng)觸點(diǎn)觸橋和動(dòng)觸點(diǎn)支架之間的彈簧可以實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸壓力的柔性加載。其中的水平移動(dòng)滑臺(tái)行程為6.5 mm，分辨率為10 μm。

圖1 觸點(diǎn)連續(xù)通電試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械裝置

選用粉末冶金工藝制造銀鎳鉚釘觸點(diǎn)，其中銀含量90%，鎳含量10%，幾何尺寸如圖2所示。試驗(yàn)前，將平面觸點(diǎn)和弧面觸點(diǎn)分別鉚接至靜簧片和觸橋上，然后置于超聲波清洗機(jī)中，分別用高純度酒精和蒸餾水清洗5 min以去除觸點(diǎn)表面的污染物。試驗(yàn)溫度：25℃，濕度：30%，連續(xù)電流：AC 90 A、150 A，觸點(diǎn)初始接觸壓力為1.2 N。

圖2 觸點(diǎn)幾何尺寸（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接觸電阻與壓力的關(guān)系

在進(jìn)行連續(xù)通電試驗(yàn)前，應(yīng)用CRS-4000型觸點(diǎn)材料接觸電阻自動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)得的接觸電阻隨著接觸壓力的變化如圖3所示。設(shè)置的開(kāi)路電壓為6 V，測(cè)試電流為10 mA。

圖3 壓力加載和卸載條件下接觸電阻的變化

由圖3可見(jiàn)，接觸電阻隨著壓力的增加從4.04 mΩ非線性地下降到0.34 mΩ，在壓力卸載過(guò)程中增加到2.84 mΩ，且卸載過(guò)程中接觸電阻始終低于加載過(guò)程的，這種現(xiàn)象與很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者得到的結(jié)果相似，稱為滯回現(xiàn)象[6-8]。Timsit指出隨著接觸壓力的增加，微觀表面凸丘體由于發(fā)生塑性變形導(dǎo)致導(dǎo)電斑點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，因此所產(chǎn)生的收縮電阻將具有減小的趨勢(shì)。同時(shí)，發(fā)生塑性變形的微觀材料逐漸硬化使得微觀接觸表面面積增加趨于飽和狀態(tài)。卸載過(guò)程中的局部塑性變形無(wú)法恢復(fù)是導(dǎo)致接觸電阻存在滯后現(xiàn)象的根本原因。

通過(guò)對(duì)加載過(guò)程中的接觸電阻Rc和接觸壓力F進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)兩者滿足冪函數(shù)Rc=KF-mc的關(guān)系，且根據(jù)擬合指數(shù)m可以將整個(gè)加載過(guò)程分為3個(gè)明顯的階段。階段I：指數(shù)m=0.68，對(duì)應(yīng)的接觸壓力范圍0.018 3 N≤Fc≤0.072 7 N；階段II：指數(shù)m=0.31，此時(shí)接觸壓力0.083 4 N≤Fc≤0.331 N；階段III：指數(shù)m=0.43，接觸壓力0.339 5 N≤Fc≤2.49 N。同時(shí)，接觸電阻隨著接觸壓力變化的指數(shù)m代表的接觸電阻成分與表面變形狀態(tài)的含義如表1所示[9]。

表1 接觸電阻隨接觸壓力變化的指數(shù)m代表的含義

階段I的指數(shù)m=0.68介于彈性和塑性的表面膜電阻之間，指數(shù)m在階段II和階段III為0.31和0.43分別對(duì)應(yīng)于彈性和塑性變形的收縮電阻。同時(shí)可以看出對(duì)于放置在空氣中的銀鎳觸點(diǎn)，破壞其表面膜的最小接觸壓力Fmin約為0.07 N。

2.2 連續(xù)通電條件下的試驗(yàn)結(jié)果

觸點(diǎn)在常溫常濕、左右兩觸點(diǎn)壓力均為1.2 N、連續(xù)通交流90 A電流12 h，圖4所示為總接觸電阻、左接觸壓力和通電電流隨著通電時(shí)間的變化。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，通電電流基本穩(wěn)定在90 A，觸點(diǎn)壓力首先從1.254 N快速下降然后維持穩(wěn)定，之后又下降至0.886 N，且左右兩觸點(diǎn)的壓力下降趨勢(shì)基本相同?？偨佑|電阻在通電6 min內(nèi)從2.603 mΩ快速下降到0.957 mΩ，在隨后的16 min內(nèi)，又從0.957 mΩ下降到0.91 mΩ，最終穩(wěn)定在0.887 mΩ。

圖4 接觸電阻和接觸壓力隨通電時(shí)間的變化

在觸點(diǎn)表面施加90 A電流的初始時(shí)刻，左觸點(diǎn)對(duì)間的接觸壓降為133.72 mV，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度為25℃（298.15 K），可得導(dǎo)電斑點(diǎn)a處的溫度約為251.4℃?？紤]到銀的軟化電壓為0.09 V，軟化溫度為180℃，鎳的軟化電壓為0.16 V，軟化溫度為520℃，所以在通電起始階段觸點(diǎn)中的銀首先開(kāi)始發(fā)生軟化，在接觸壓力的作用下，接觸斑點(diǎn)a的面積擴(kuò)大，接觸面積的增加將導(dǎo)致收縮電阻減小，電接觸過(guò)程如圖5所示。

圖5 接觸情況示意圖

同時(shí)，由于銀鎳觸點(diǎn)在空氣中放置時(shí)會(huì)被氧化從而在表面生成一層AgO薄膜，而AgO在被加熱到250℃時(shí)開(kāi)始分解，到300℃以上時(shí)迅速分解，具體分解過(guò)程如表2所示。這使得觸點(diǎn)表面的AgO薄膜開(kāi)始分解生成Ag2O和Ag單質(zhì)，從而使表面膜電阻減小。在通電起始階段接觸電阻的減小是由于收縮電阻和表面膜電阻的共同減小導(dǎo)致的。

表2 AgO、Ag2O和Ag的含量隨加熱溫度的變化［10］

由于接觸斑點(diǎn)發(fā)生了軟化并被擠壓變形，其形變量將會(huì)減小，這是導(dǎo)致接觸壓力不斷減小的主要原因。同時(shí)接觸電阻在壓力減小的情況下持續(xù)降低，表明在大電流條件下，接觸面積是決定接觸電阻的主要因素，此時(shí)接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響可以忽略。隨著通電時(shí)間的進(jìn)一步增加，接觸面積趨于恒定，所以接觸電阻基本保持穩(wěn)定。需要注意的是，在整個(gè)12 h的通電過(guò)程中，接觸電阻一直減小，這表明觸點(diǎn)表面膜的生長(zhǎng)并不是在連續(xù)通電的過(guò)程中完成的，相反，在這種情況下觸點(diǎn)表面氧化膜的生長(zhǎng)受到了抑制作用，而且可以推斷出通電時(shí)間越長(zhǎng)，電流越大，接觸壓力越大，抑制效果會(huì)更加顯著。

考慮到電器觸點(diǎn)分?jǐn)嚯娀〉那治g作用，本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過(guò)程如下：首先將觸點(diǎn)閉合后通交流強(qiáng)電持續(xù)5 min，然后將觸點(diǎn)帶電分開(kāi)，斷電后保持常開(kāi)狀態(tài)靜置5 min，再以10 mA電流測(cè)試接觸電阻，如此重復(fù)10次后獲得的接觸電阻如圖6所示?？梢?jiàn)，90 A條件下接觸電阻從1.26 mΩ增長(zhǎng)到1.5 mΩ，150 A條件下接觸電阻從1.3 mΩ增長(zhǎng)到1.8 mΩ。同時(shí)也應(yīng)看到接觸電阻的增長(zhǎng)具有明顯波動(dòng)性。

圖6 接觸電阻與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系

通過(guò)將各次接觸電阻與初始值作比，可以得到歸一化接觸電阻(Rt/R0)隨著試驗(yàn)次數(shù)N的變化情況，如圖7所示。150 A和90 A條件下歸一化接觸電阻(Rt/R0)與試驗(yàn)次數(shù)N的擬合線性關(guān)系分別為Rt/R0=0.031 N+1.06和Rt/R0=0.025 N+1.01。且150 A條件下歸一化接觸電阻(Rt/R0)的增長(zhǎng)速率k150A=0.031大于90 A條件下的k90A=0.025。這說(shuō)明通電電流對(duì)接觸電阻的劣化有一定的影響，且電流越大，接觸電阻的劣化情況越嚴(yán)重。這主要是由于通電電流越大，分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧也越大，對(duì)觸點(diǎn)表面的燒蝕也將更加嚴(yán)重，進(jìn)而使接觸電阻劣化增大。

圖7 接觸電阻歸一值與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

在觸點(diǎn)連續(xù)通電條件下，接觸電阻有減小趨勢(shì)，但幅值很低，不會(huì)直接導(dǎo)致電接觸失效。而電弧作用后的觸點(diǎn)在連續(xù)通電條件下可使接觸電阻增大、波動(dòng)趨勢(shì)明顯，且電弧電流的增加對(duì)這一現(xiàn)象影響更加顯著。