铜排连接器接触性能研究

张小青

（深圳市中建金属制品有限公司，广东深圳 518000）

1 电连接器的基本构件

1.1 接触件

插孔和插针均称为接触体，二者通过相互接触实现电路连接。在实践中，采用镍合金的中间层，可以有效地阻止基体和喷金层的扩散，并使基体铜具有很好的导电性，并且具有相对低的接触电阻。表面镀金涂层可以进一步避免在工作环境中对接触体的侵蚀和氧化，并尽量降低接触电阻，改善电气接插件的抗环境性能。结果显示，喷金层的孔隙度是决定其保护效果的重要指标，而针头是其核心元件，是决定其整体性能的重要因素。从现有的电气接插件的使用资料中发现，柱形插头和柱形插头是使用最多的。

1.2 绝缘体

绝缘材料包括插针、插孔周围绝缘材料、接口灌封材料、金属丝等。绝缘体通常是由塑料、橡胶等有机聚合物构成，其电阻率很高。不但可以定位、支撑、保护插头，而且可以在接触体与壳体、接触体之间形成足够的隔断，从而确保电气接插件具有良好的绝缘和抗压力性能。

1.3 外壳

电气连接器壳体主要包括接触体外壳、连接螺母、附属部件等，在壳体内部一般设有键槽，在插头时起到定位的功能。常用的电连接器外壳材料有铝合金、不锈钢、复合电镀、钛合金等。常用的壳体加工方法有：电镀铝合金、铝合金、不锈钢钝化、复合材料镀镍。电气接插件的外壳主要有两个功能：①尽量保护绝缘子、触头等内部部件免受外界的侵蚀和损坏，并能经受诸如震动、撞击等外界诱发的环境；②对电气接插件具有较好的EMC 和环境抗腐蚀性能，其外壳通常采用电镀及材质加工。

2 电接触理论

电接触是研究电连接可靠性的学科，距今已有60多年的历史，电连接的质量与水平对设备与系统的可靠性影响很大。以确保电路连续为目的的电气、电子设备的载流元件之间的界面以及包含该界面的部件被定义为电接触。相互接触的载流元件一般为固体，即接触元件或接触组件。电接触提供了电连接，电连接的主要目的是使金属与金属之间形成良好的接触，从而使电流在接触面上持续地通过。根据它们的性质、表面形态、动力学特性、设计和技术特点，电流负载，应用和其它方法，可以把它们划分为两大类：静态电接触和动态电接触。

在静电电接触中，所有的触头都与装置的静止部件通过硬或弹性的连接构成了永久性的接触。静态电触头可以分成不分开的或完全的金属连接（熔接、软焊和粘接）和固定连接（夹紧、螺栓和卷曲连接）。非分离（永久性）连接具有高的机械强度、低和稳定的接触电阻，一般是在接触单元内部形成的。固定接头是指通过螺杆或螺杆将导线机械地机械连接起来，或者通过夹具等中间构件把导线机械连接起来。固定接头可以装配或拆卸，而不会损坏接头的完整性。最简单的固定方法是把两根大导线用平面的接点，如汇流排。复杂的固定接头是由许多导线构成的，在电线上使用的，如多根电线和夹具。在紧固接头中，导线的接触面是由接触面上的应力和材料的可塑性变形所决定的。电阻率较低、硬度较低、耐腐蚀较高的材料，其固定过渡电阻较小。所以，接触表面一般涂有锡、银、镉等柔软且具有抗腐蚀性的物质。各种表面清洗技术也经常被用于改进接触头的接合。

3 铜排连接器

按其在线路中的主要功能及实际载荷的大小，可将其划分为功率连接器与电气连接器。功率连接器又称电流连接器，其金属导线通常采用夹紧、螺栓或绕线等方式连接，从而达到紧密接触的目的。铜排连接器是一种电力连接器，通过螺栓固定连接。

铜排号也称铜母或铜母，是一种由铜制成的，截面为矩形或倒角（圆角）的长条导线。目前常用的是圆角铜，使其不会发生尖峰放电，并能在线路中传输电流，并与电器装置相连接，铜片的质量要求按GB/T 5585.1—2005《铜和铜合金母线》进行。铜片是一种大电流的导电制品，主要用于高压电器、开关触点、配电设备、母线等电器领域，也可用于金属精炼、化学电镀、化学烧碱等大型电流的电解精炼。

电铜导线电阻率低，弯曲度大。铜导线因其导电性等优越于铝而被广泛地应用于电气设备，尤其是成套配电设备中，铜片主要用于一次线（大电流的相线、零线、地线），而大电流的一次部件都采用铜片，如一排电气柜与柜体的主母线相接，主母线上的开关电器（隔离开关、断路器等）被分配到电柜的左右侧的分支母线。铜排有镀锡和裸铜，在电器柜内的铜接头通常采用电镀、压花或涂以电力复合油脂。剩余的空隙用热收缩套管进行保护，有些还采用了隔热材料。采用铜片时，要先考虑到的负荷，根据电流的大小选用合适的铜片，并且要把接头的螺栓拧紧。否则，电流太大，铜片就会熔化，从而影响整个电网的稳定。

4 影响接触电阻的因素

4.1 材料性质

影响接触电阻的材料性质主要内容包括：接触电阻率、表面布氏硬度、材料 HB、化学性能、表面机械强度等。铜线接头一般是用铜做接头，铜一般都是镀银的。因为黄铜的表面有独特的氧化性很容易氧化，在金属上形成一层很厚的氧化膜。为了最大限度地降低接触对铜表面的电阻产生的最直接的影响，需要每年在铜表面上喷一次铜镀锡膜，以作为表面绝缘层或金属屏蔽层。氧化的锡的表面氧化物一般也很难产生，氧化膜的电阻一般也比较小，但硬度比较低。

4.2 接触电阻压力

接触电阻值的增加对接触电阻性能的重要参数的影响非常明显，接触电阻值的增加主要与短路电流的减少有关，或者与接触电阻压力值的增加有关。比如，在工作压力环境中承受了足够高的高电流，接触端的电阻值也会有一个较大幅度的降低。考虑到其他可能影响的连接电阻因素，为了保持接触端电阻值相对较小，至少先确保均匀、稳定的接触端压力施加于两者之间。常用弹簧连接端子主要为弹簧。为了适当增加接触面的压力，一般厂家可采用端子设计连接方式，适当增加两端弹簧压力系数。

4.3 常见接触的形式

触头常见的接触形式有很多种，根据接触表面几何尺寸的不同，可以分为点接触、线形接触和线形接触。图1显示了典型的线型接触形式。触点的接触形式并不是只有一个小点形成的，主要是指有多个接触点，或者在一个很小的接触点空间内形成一个真正完整的平面接触结构；点线型接触一般是指接触空间面积为一条细线或很长的接触表面；面接触面积是指平面接触面积。点线对接触压力对接表面的接触电压阻力大小的直接影响在接触表面接触压力的各种不同形式下，点线的影响作用是不同的。接触压力越小，面点接触面接触电阻越大，接触电阻越小，接触电阻越小；当介质压力较大时，点接触介质与绕线介质接触时，接触介质的压力电阻一般要比平面介质接触任何形式的介质时要大一些；三种以上的压力接触三种介质，接触介质的电阻都是一样的。在图2中示出了接触形式对接触电阻的影响。在实际生产中，固定面接触螺栓类螺栓连接件通常采用螺钉等刚性连接件，压力系数波动较大，螺栓刚性面接触螺栓装配形式通常比较灵活；可同时实现分体式、合式或接触式接线形式安装，常采用弹簧式连接形式的接线端子形式安装端子，压力范围较小，采用点压接线方式或采用线压接线式接线方式更安全、更合适。常用的接线方式一般采用的形式也是采用弹簧加压方式安装连接的双线点压接点端子。

图1 典型接触形式

图2 接触形式对接触电阻的影响

4.4 接触电阻在长期工作中的稳定性

在长期工作中，接触电阻的作用是防止金属化学的接触或腐蚀。电接触金属表面下的金属长期遭受腐蚀其允许电接触点温度的一般正常情况一般都维持为很微高低，虽然在电接触面区域内存在的那部分金属离子已基本上不能继续与其金属周围或金属介质表面进行化学接触，但由于金属离子周围金属的金属介质空气环境中游分离得到的一部分气态氧离子也仍会在逐渐中从允许金属接触点周围及其周围气体环境中逐渐中被腐蚀侵入，并可能开始地与部分其它的金属化合物中起了一些金属化学作用，形成金属氧化物，从而减小金属实际表面的热接触面积，使接触金属的电阻值增加，接触点温度显著上升。

4.5 温度

随着接触点温度的升高，金属表面的电阻系数虽然会增加，但表面材料表面的硬度也会随之降低，从而增加金属接触点材料上的金属接触表面的有效接触面积。前者只会使金属表面 Rs 系数迅速增加，而后者只能使金属表面 Rs 系数迅速降低，从而使金属接触表面的有效接触电阻系数发生变化。但是，热效应会使金属表面形成一层氧化膜，增加金属表面有效接触电阻的有效接触面积。表面热和氧化还原转变的速度取决于接触表面温度的高低，当表面的温度逐渐超过或者超过临界温度时，表面转化过程就会自然的加速或者继续向前，这一明显的特性直接限制了在达到另一临界温度时允许表面最大转化的温度。

4.6 接触表面的光洁度

接触电极表面材料的表面光洁度会对接触电位阻有着一定范围的影响，这就主要还表现为在表面接触电位点数上n 值的高低不同。接触电阻表面工艺可以看做是采用粗法加工、精磨加工，甚至说是直接采用激光机械切削或电化学抛光。不同类型的切削加工组织形式可以直接的影响表面接触电阻点数n 值的变化多少，并能最终地影响表面接触电阻数值的大小。

5 结束语

在机械制造领域，触点的质量直接关系到产品的质量、效率和制造成本，是企业能否持续发展的关键。在电力系统中，连接器是一种基本的元件，它能为两根导线之间的接线提供持续稳定的电流通路。在高压开关柜等电器设备中，各电器部件的进、供电端均应采用铝材或铜材，由于铜材具有良好的导热性和导热性，因此，GB50149-2010 《电气安装工程母线安装与验收规程》规定，母线安装搭接面应涂以电力复合脂，并用螺栓固定连接。但是，在负载较大的情况下，由于负载变化，搭接表面发生氧化，螺栓的紧固扭矩也会受到蠕变、热松弛等因素的影响，从而产生母线过热，甚至烧坏了接头，从而导致搭接区域的压降，导致温度上升，从而对电网的安全运行产生不利的影响。根据试验结果，发现接触压力、搭接面积、温度、氧化膜、搭接表面有无油脂是影响接头接触特性的重要因素。由于外界温度的改变，导致了金属导线的热胀冷缩，从而导致了螺栓的应力松弛，从而减小了对铜材料的接触压力。接触压的减小，一方面使接触区的实际接触面积减小，从而使接触电阻增加；同时，由于接触压力的减小，使接触面产生了较大的空隙，从而使空气和污染物通过接触面的缝隙进入到接触面中，从而使接触面发生氧化，从而使接触面受到侵蚀。在大电流的情况下，由于接触面的电阻增大，使接触面温度急剧升高，使接触面的温度进一步升高，从而使接触面的温度进一步升高，从而使接触面的电阻增大，从而产生一个恶性循环，从而使连接器发生故障。