连续通电条件下触点接触电阻劣化的初步分析

张 超，任万滨

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）

引言

触点材料广泛应用于各类接触器、断路器、继电器、照明开关、故障电流开关及辅助开关中，其工作电流从几安培至几千安培不等，不同工业需求使触点材料的成分、制备工艺与尺寸结构各异[1]。触点在电器开关内完成导通、分断电流功能，因此其电接触性能已成为影响电气与电子工程可靠性的关键。工程应用中通常期望电接触部位对电气回路电流的阻碍作用为零，即接触电阻为零。然而大量研究表明，电器接触部位的电阻或多或少地存在，接触电阻过高，会使触点表面产生温升，从而可能导致触头产生永久变形，甚至发生熔焊现象；而且由于触点上电压损失过高，会使低电平的逻辑控制电路逻辑混乱，影响电器工作可靠性，从而降低了电器的使用寿命。

当前，电器开关逐渐向“小型化、低功耗、长寿命、高可靠”等方向发展，因此对于触点材料的关注主要集中在接触电阻、接触温升、熔焊强度、电弧烧蚀率和磨损率等相关参数[2-5]。考虑到电接触应用的特殊性，因此对触点材料关注的侧重点也存在一定差异。如光伏发电系统应用的大功率继电器，虽然触点分断闭合的周期为每天一次，但触点的工况具有长时间连续通电的特点。且随着服役时间的增加，继电器会出现接触电阻逐渐增大超出阈值的失效案例。

本研究针对触点连续通电条件下的接触电阻失效问题，研究了接触压力、通电时间、电流对接触电阻的影响，为进一步确定触点材料电接触性能的劣化机理提出了探索思路。

1 试验方法

触点连续通电试验系统的机械装置如图1所示，装置主要由底座、两个水平移动滑台、两个压力传感器和触点夹具组成。通过调节水平滑台可以改变触点对间的相对位移。借助动触点触桥和动触点支架之间的弹簧可以实现触点接触压力的柔性加载。其中的水平移动滑台行程为6.5 mm，分辨率为10 μm。

图1 触点连续通电试验系统的机械装置

选用粉末冶金工艺制造银镍铆钉触点，其中银含量90%，镍含量10%，几何尺寸如图2所示。试验前，将平面触点和弧面触点分别铆接至静簧片和触桥上，然后置于超声波清洗机中，分别用高纯度酒精和蒸馏水清洗5 min以去除触点表面的污染物。试验温度：25℃，湿度：30%，连续电流：AC 90 A、150 A，触点初始接触压力为1.2 N。

图2 触点几何尺寸（单位：mm）

2 试验结果与分析

2.1 接触电阻与压力的关系

在进行连续通电试验前，应用CRS-4000型触点材料接触电阻自动测试分析系统测得的接触电阻随着接触压力的变化如图3所示。设置的开路电压为6 V，测试电流为10 mA。

图3 压力加载和卸载条件下接触电阻的变化

由图3可见，接触电阻随着压力的增加从4.04 mΩ非线性地下降到0.34 mΩ，在压力卸载过程中增加到2.84 mΩ，且卸载过程中接触电阻始终低于加载过程的，这种现象与很多国内外学者得到的结果相似，称为滞回现象[6-8]。Timsit指出随着接触压力的增加，微观表面凸丘体由于发生塑性变形导致导电斑点个数增加，因此所产生的收缩电阻将具有减小的趋势。同时，发生塑性变形的微观材料逐渐硬化使得微观接触表面面积增加趋于饱和状态。卸载过程中的局部塑性变形无法恢复是导致接触电阻存在滞后现象的根本原因。

通过对加载过程中的接触电阻Rc和接触压力F进行曲线拟合，发现两者满足幂函数Rc=KF-mc的关系，且根据拟合指数m可以将整个加载过程分为3个明显的阶段。阶段I：指数m=0.68，对应的接触压力范围0.018 3 N≤Fc≤0.072 7 N；阶段II：指数m=0.31，此时接触压力0.083 4 N≤Fc≤0.331 N；阶段III：指数m=0.43，接触压力0.339 5 N≤Fc≤2.49 N。同时，接触电阻随着接触压力变化的指数m代表的接触电阻成分与表面变形状态的含义如表1所示[9]。

表1 接触电阻随接触压力变化的指数m代表的含义

阶段I的指数m=0.68介于弹性和塑性的表面膜电阻之间，指数m在阶段II和阶段III为0.31和0.43分别对应于弹性和塑性变形的收缩电阻。同时可以看出对于放置在空气中的银镍触点，破坏其表面膜的最小接触压力Fmin约为0.07 N。

2.2 连续通电条件下的试验结果

触点在常温常湿、左右两触点压力均为1.2 N、连续通交流90 A电流12 h，图4所示为总接触电阻、左接触压力和通电电流随着通电时间的变化。在整个试验过程中，通电电流基本稳定在90 A，触点压力首先从1.254 N快速下降然后维持稳定，之后又下降至0.886 N，且左右两触点的压力下降趋势基本相同。总接触电阻在通电6 min内从2.603 mΩ快速下降到0.957 mΩ，在随后的16 min内，又从0.957 mΩ下降到0.91 mΩ，最终稳定在0.887 mΩ。

图4 接触电阻和接触压力随通电时间的变化

在触点表面施加90 A电流的初始时刻，左触点对间的接触压降为133.72 mV，考虑到试验过程中环境温度为25℃（298.15 K），可得导电斑点a处的温度约为251.4℃。考虑到银的软化电压为0.09 V，软化温度为180℃，镍的软化电压为0.16 V，软化温度为520℃，所以在通电起始阶段触点中的银首先开始发生软化，在接触压力的作用下，接触斑点a的面积扩大，接触面积的增加将导致收缩电阻减小，电接触过程如图5所示。

图5 接触情况示意图

同时，由于银镍触点在空气中放置时会被氧化从而在表面生成一层AgO薄膜，而AgO在被加热到250℃时开始分解，到300℃以上时迅速分解，具体分解过程如表2所示。这使得触点表面的AgO薄膜开始分解生成Ag2O和Ag单质，从而使表面膜电阻减小。在通电起始阶段接触电阻的减小是由于收缩电阻和表面膜电阻的共同减小导致的。

表2 AgO、Ag2O和Ag的含量随加热温度的变化［10］

由于接触斑点发生了软化并被挤压变形，其形变量将会减小，这是导致接触压力不断减小的主要原因。同时接触电阻在压力减小的情况下持续降低，表明在大电流条件下，接触面积是决定接触电阻的主要因素，此时接触压力对接触电阻的影响可以忽略。随着通电时间的进一步增加，接触面积趋于恒定，所以接触电阻基本保持稳定。需要注意的是，在整个12 h的通电过程中，接触电阻一直减小，这表明触点表面膜的生长并不是在连续通电的过程中完成的，相反，在这种情况下触点表面氧化膜的生长受到了抑制作用，而且可以推断出通电时间越长，电流越大，接触压力越大，抑制效果会更加显著。

考虑到电器触点分断电弧的侵蚀作用，本研究设计的试验过程如下：首先将触点闭合后通交流强电持续5 min，然后将触点带电分开，断电后保持常开状态静置5 min，再以10 mA电流测试接触电阻，如此重复10次后获得的接触电阻如图6所示。可见，90 A条件下接触电阻从1.26 mΩ增长到1.5 mΩ，150 A条件下接触电阻从1.3 mΩ增长到1.8 mΩ。同时也应看到接触电阻的增长具有明显波动性。

图6 接触电阻与试验次数的关系

通过将各次接触电阻与初始值作比，可以得到归一化接触电阻(Rt/R0)随着试验次数N的变化情况，如图7所示。150 A和90 A条件下归一化接触电阻(Rt/R0)与试验次数N的拟合线性关系分别为Rt/R0=0.031 N+1.06和Rt/R0=0.025 N+1.01。且150 A条件下归一化接触电阻(Rt/R0)的增长速率k150A=0.031大于90 A条件下的k90A=0.025。这说明通电电流对接触电阻的劣化有一定的影响，且电流越大，接触电阻的劣化情况越严重。这主要是由于通电电流越大，分断时产生的电弧也越大，对触点表面的烧蚀也将更加严重，进而使接触电阻劣化增大。

图7 接触电阻归一值与试验次数的关系

4 结论

在触点连续通电条件下，接触电阻有减小趋势，但幅值很低，不会直接导致电接触失效。而电弧作用后的触点在连续通电条件下可使接触电阻增大、波动趋势明显，且电弧电流的增加对这一现象影响更加显著。