銅排連接器接觸性能研究

張小青

（深圳市中建金屬制品有限公司，廣東深圳 518000）

1 電連接器的基本構件

1.1 接觸件

插孔和插針均稱為接觸體，二者通過相互接觸實現(xiàn)電路連接。在實踐中，采用鎳合金的中間層，可以有效地阻止基體和噴金層的擴散，并使基體銅具有很好的導電性，并且具有相對低的接觸電阻。表面鍍金涂層可以進一步避免在工作環(huán)境中對接觸體的侵蝕和氧化，并盡量降低接觸電阻，改善電氣接插件的抗環(huán)境性能。結(jié)果顯示，噴金層的孔隙度是決定其保護效果的重要指標，而針頭是其核心元件，是決定其整體性能的重要因素。從現(xiàn)有的電氣接插件的使用資料中發(fā)現(xiàn)，柱形插頭和柱形插頭是使用最多的。

1.2 絕緣體

絕緣材料包括插針、插孔周圍絕緣材料、接口灌封材料、金屬絲等。絕緣體通常是由塑料、橡膠等有機聚合物構成，其電阻率很高。不但可以定位、支撐、保護插頭，而且可以在接觸體與殼體、接觸體之間形成足夠的隔斷，從而確保電氣接插件具有良好的絕緣和抗壓力性能。

1.3 外殼

電氣連接器殼體主要包括接觸體外殼、連接螺母、附屬部件等，在殼體內(nèi)部一般設有鍵槽，在插頭時起到定位的功能。常用的電連接器外殼材料有鋁合金、不銹鋼、復合電鍍、鈦合金等。常用的殼體加工方法有：電鍍鋁合金、鋁合金、不銹鋼鈍化、復合材料鍍鎳。電氣接插件的外殼主要有兩個功能：①盡量保護絕緣子、觸頭等內(nèi)部部件免受外界的侵蝕和損壞，并能經(jīng)受諸如震動、撞擊等外界誘發(fā)的環(huán)境；②對電氣接插件具有較好的EMC 和環(huán)境抗腐蝕性能，其外殼通常采用電鍍及材質(zhì)加工。

2 電接觸理論

電接觸是研究電連接可靠性的學科，距今已有60多年的歷史，電連接的質(zhì)量與水平對設備與系統(tǒng)的可靠性影響很大。以確保電路連續(xù)為目的的電氣、電子設備的載流元件之間的界面以及包含該界面的部件被定義為電接觸。相互接觸的載流元件一般為固體，即接觸元件或接觸組件。電接觸提供了電連接，電連接的主要目的是使金屬與金屬之間形成良好的接觸，從而使電流在接觸面上持續(xù)地通過。根據(jù)它們的性質(zhì)、表面形態(tài)、動力學特性、設計和技術特點，電流負載，應用和其它方法，可以把它們劃分為兩大類：靜態(tài)電接觸和動態(tài)電接觸。

在靜電電接觸中，所有的觸頭都與裝置的靜止部件通過硬或彈性的連接構成了永久性的接觸。靜態(tài)電觸頭可以分成不分開的或完全的金屬連接（熔接、軟焊和粘接）和固定連接（夾緊、螺栓和卷曲連接）。非分離（永久性）連接具有高的機械強度、低和穩(wěn)定的接觸電阻，一般是在接觸單元內(nèi)部形成的。固定接頭是指通過螺桿或螺桿將導線機械地機械連接起來，或者通過夾具等中間構件把導線機械連接起來。固定接頭可以裝配或拆卸，而不會損壞接頭的完整性。最簡單的固定方法是把兩根大導線用平面的接點，如匯流排。復雜的固定接頭是由許多導線構成的，在電線上使用的，如多根電線和夾具。在緊固接頭中，導線的接觸面是由接觸面上的應力和材料的可塑性變形所決定的。電阻率較低、硬度較低、耐腐蝕較高的材料，其固定過渡電阻較小。所以，接觸表面一般涂有錫、銀、鎘等柔軟且具有抗腐蝕性的物質(zhì)。各種表面清洗技術也經(jīng)常被用于改進接觸頭的接合。

3 銅排連接器

按其在線路中的主要功能及實際載荷的大小，可將其劃分為功率連接器與電氣連接器。功率連接器又稱電流連接器，其金屬導線通常采用夾緊、螺栓或繞線等方式連接，從而達到緊密接觸的目的。銅排連接器是一種電力連接器，通過螺栓固定連接。

銅排號也稱銅母或銅母，是一種由銅制成的，截面為矩形或倒角（圓角）的長條導線。目前常用的是圓角銅，使其不會發(fā)生尖峰放電，并能在線路中傳輸電流，并與電器裝置相連接，銅片的質(zhì)量要求按GB/T 5585.1—2005《銅和銅合金母線》進行。銅片是一種大電流的導電制品，主要用于高壓電器、開關觸點、配電設備、母線等電器領域，也可用于金屬精煉、化學電鍍、化學燒堿等大型電流的電解精煉。

電銅導線電阻率低，彎曲度大。銅導線因其導電性等優(yōu)越于鋁而被廣泛地應用于電氣設備，尤其是成套配電設備中，銅片主要用于一次線（大電流的相線、零線、地線），而大電流的一次部件都采用銅片，如一排電氣柜與柜體的主母線相接，主母線上的開關電器（隔離開關、斷路器等）被分配到電柜的左右側(cè)的分支母線。銅排有鍍錫和裸銅，在電器柜內(nèi)的銅接頭通常采用電鍍、壓花或涂以電力復合油脂。剩余的空隙用熱收縮套管進行保護，有些還采用了隔熱材料。采用銅片時，要先考慮到的負荷，根據(jù)電流的大小選用合適的銅片，并且要把接頭的螺栓擰緊。否則，電流太大，銅片就會熔化，從而影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定。

4 影響接觸電阻的因素

4.1 材料性質(zhì)

影響接觸電阻的材料性質(zhì)主要內(nèi)容包括：接觸電阻率、表面布氏硬度、材料 HB、化學性能、表面機械強度等。銅線接頭一般是用銅做接頭，銅一般都是鍍銀的。因為黃銅的表面有獨特的氧化性很容易氧化，在金屬上形成一層很厚的氧化膜。為了最大限度地降低接觸對銅表面的電阻產(chǎn)生的最直接的影響，需要每年在銅表面上噴一次銅鍍錫膜，以作為表面絕緣層或金屬屏蔽層。氧化的錫的表面氧化物一般也很難產(chǎn)生，氧化膜的電阻一般也比較小，但硬度比較低。

4.2 接觸電阻壓力

接觸電阻值的增加對接觸電阻性能的重要參數(shù)的影響非常明顯，接觸電阻值的增加主要與短路電流的減少有關，或者與接觸電阻壓力值的增加有關。比如，在工作壓力環(huán)境中承受了足夠高的高電流，接觸端的電阻值也會有一個較大幅度的降低?？紤]到其他可能影響的連接電阻因素，為了保持接觸端電阻值相對較小，至少先確保均勻、穩(wěn)定的接觸端壓力施加于兩者之間。常用彈簧連接端子主要為彈簧。為了適當增加接觸面的壓力，一般廠家可采用端子設計連接方式，適當增加兩端彈簧壓力系數(shù)。

4.3 常見接觸的形式

觸頭常見的接觸形式有很多種，根據(jù)接觸表面幾何尺寸的不同，可以分為點接觸、線形接觸和線形接觸。圖1顯示了典型的線型接觸形式。觸點的接觸形式并不是只有一個小點形成的，主要是指有多個接觸點，或者在一個很小的接觸點空間內(nèi)形成一個真正完整的平面接觸結(jié)構；點線型接觸一般是指接觸空間面積為一條細線或很長的接觸表面；面接觸面積是指平面接觸面積。點線對接觸壓力對接表面的接觸電壓阻力大小的直接影響在接觸表面接觸壓力的各種不同形式下，點線的影響作用是不同的。接觸壓力越小，面點接觸面接觸電阻越大，接觸電阻越小，接觸電阻越??；當介質(zhì)壓力較大時，點接觸介質(zhì)與繞線介質(zhì)接觸時，接觸介質(zhì)的壓力電阻一般要比平面介質(zhì)接觸任何形式的介質(zhì)時要大一些；三種以上的壓力接觸三種介質(zhì)，接觸介質(zhì)的電阻都是一樣的。在圖2中示出了接觸形式對接觸電阻的影響。在實際生產(chǎn)中，固定面接觸螺栓類螺栓連接件通常采用螺釘?shù)葎傂赃B接件，壓力系數(shù)波動較大，螺栓剛性面接觸螺栓裝配形式通常比較靈活；可同時實現(xiàn)分體式、合式或接觸式接線形式安裝，常采用彈簧式連接形式的接線端子形式安裝端子，壓力范圍較小，采用點壓接線方式或采用線壓接線式接線方式更安全、更合適。常用的接線方式一般采用的形式也是采用彈簧加壓方式安裝連接的雙線點壓接點端子。

圖1 典型接觸形式

圖2 接觸形式對接觸電阻的影響

4.4 接觸電阻在長期工作中的穩(wěn)定性

在長期工作中，接觸電阻的作用是防止金屬化學的接觸或腐蝕。電接觸金屬表面下的金屬長期遭受腐蝕其允許電接觸點溫度的一般正常情況一般都維持為很微高低，雖然在電接觸面區(qū)域內(nèi)存在的那部分金屬離子已基本上不能繼續(xù)與其金屬周圍或金屬介質(zhì)表面進行化學接觸，但由于金屬離子周圍金屬的金屬介質(zhì)空氣環(huán)境中游分離得到的一部分氣態(tài)氧離子也仍會在逐漸中從允許金屬接觸點周圍及其周圍氣體環(huán)境中逐漸中被腐蝕侵入，并可能開始地與部分其它的金屬化合物中起了一些金屬化學作用，形成金屬氧化物，從而減小金屬實際表面的熱接觸面積，使接觸金屬的電阻值增加，接觸點溫度顯著上升。

4.5 溫度

隨著接觸點溫度的升高，金屬表面的電阻系數(shù)雖然會增加，但表面材料表面的硬度也會隨之降低，從而增加金屬接觸點材料上的金屬接觸表面的有效接觸面積。前者只會使金屬表面 Rs 系數(shù)迅速增加，而后者只能使金屬表面 Rs 系數(shù)迅速降低，從而使金屬接觸表面的有效接觸電阻系數(shù)發(fā)生變化。但是，熱效應會使金屬表面形成一層氧化膜，增加金屬表面有效接觸電阻的有效接觸面積。表面熱和氧化還原轉(zhuǎn)變的速度取決于接觸表面溫度的高低，當表面的溫度逐漸超過或者超過臨界溫度時，表面轉(zhuǎn)化過程就會自然的加速或者繼續(xù)向前，這一明顯的特性直接限制了在達到另一臨界溫度時允許表面最大轉(zhuǎn)化的溫度。

4.6 接觸表面的光潔度

接觸電極表面材料的表面光潔度會對接觸電位阻有著一定范圍的影響，這就主要還表現(xiàn)為在表面接觸電位點數(shù)上n 值的高低不同。接觸電阻表面工藝可以看做是采用粗法加工、精磨加工，甚至說是直接采用激光機械切削或電化學拋光。不同類型的切削加工組織形式可以直接的影響表面接觸電阻點數(shù)n 值的變化多少，并能最終地影響表面接觸電阻數(shù)值的大小。

5 結(jié)束語

在機械制造領域，觸點的質(zhì)量直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量、效率和制造成本，是企業(yè)能否持續(xù)發(fā)展的關鍵。在電力系統(tǒng)中，連接器是一種基本的元件，它能為兩根導線之間的接線提供持續(xù)穩(wěn)定的電流通路。在高壓開關柜等電器設備中，各電器部件的進、供電端均應采用鋁材或銅材，由于銅材具有良好的導熱性和導熱性，因此，GB50149-2010 《電氣安裝工程母線安裝與驗收規(guī)程》規(guī)定，母線安裝搭接面應涂以電力復合脂，并用螺栓固定連接。但是，在負載較大的情況下，由于負載變化，搭接表面發(fā)生氧化，螺栓的緊固扭矩也會受到蠕變、熱松弛等因素的影響，從而產(chǎn)生母線過熱，甚至燒壞了接頭，從而導致搭接區(qū)域的壓降，導致溫度上升，從而對電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)接觸壓力、搭接面積、溫度、氧化膜、搭接表面有無油脂是影響接頭接觸特性的重要因素。由于外界溫度的改變，導致了金屬導線的熱脹冷縮，從而導致了螺栓的應力松弛，從而減小了對銅材料的接觸壓力。接觸壓的減小，一方面使接觸區(qū)的實際接觸面積減小，從而使接觸電阻增加；同時，由于接觸壓力的減小，使接觸面產(chǎn)生了較大的空隙，從而使空氣和污染物通過接觸面的縫隙進入到接觸面中，從而使接觸面發(fā)生氧化，從而使接觸面受到侵蝕。在大電流的情況下，由于接觸面的電阻增大，使接觸面溫度急劇升高，使接觸面的溫度進一步升高，從而使接觸面的溫度進一步升高，從而使接觸面的電阻增大，從而產(chǎn)生一個惡性循環(huán)，從而使連接器發(fā)生故障。