影响GIS固定接触部接触电阻的因素研究

刘金贺 郝春来 李文昊 肖鹤旋

（河南平芝高压开关有限公司，河南 平顶山 467013）

0 引言

当今社会，在所有电力传输和分配、大多数控制和信息交换过程中，电力至少有一次电接触。电气触点发生故障可能会有很严重的后果。中国电网容量的迅速增长和电力电子技术的发展都离不开气体绝缘金属封闭开关（GIS）设备做出的巨大贡献。GIS具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、维护方便、对环境适应性强等优点，深受人们的青睐。550 kV GIS 长母线承担主要的电力运输任务，长距离的电力输送使母线之间必然存在大量电接触，要不断减少母线因自身损耗而发热的情况。温升是影响GIS设备运行状态的重要物理量，而电阻是影响设备温升的重要因素。对GIS 设备而言，导电回路电阻一直是影响设备质量和运行状态的重要技术指标，在相关国家标准和行业标准中均有明确规定［1］。

接触电阻是所有电接触件中最重要和最普遍的物理量，与整个电路电阻相比，接触电阻明显更小，在其发生变化时，会导致装置出现严重故障。这是因为接触电阻会随实际接触面积、接触压力、电阻膜不均匀性及其他因素的变化而发生显著变化，导致电压增加，使设备的精细调整或良好操作变得更困难。接触电阻是表征某一导电回路连接是否良好的关键参数，每一种高压设备接触电阻值的大小都有相关规定。若接触电阻超过规定值，很可能是导电回路某一连接处接触不良所致的。通常GIS 设备的额定电流较大，若设备内部导电回路接触不良，则接触不良处的局部会温升增高，严重时甚至会造成接触部分熔焊，所以要加倍注意应用于大电流运行的高压开关设备［1］。因此，对GIS 固定接触部接触电阻的影响因素进行研究是非常必要的［2-13］。

本研究选用几种典型的铝制母线导体，从镀银层厚度、接触面积、接触压力这3 个方面出发，对GIS固定接触部的接触电阻进行试验。在弹性接触下，研究镀银层厚度、接触面积、接触压力对固定接触部接触电阻的影响。

1 接触电阻计算理论

1.1 接触电阻理论基础

任何经过精细加工的名义上平面，实际上都是粗糙不平的表面。当这种名义上的平面相互接触时，即外加很大的接触力（如弹簧力、螺栓力）使两个表面相互紧压，但接触面上也只有少数的点（小面）发生了真正接触，这些实际接触的小面承受全部的外加接触力。由于金属表面一般都覆盖着不导电的氧化膜或其他类型的膜，导致在实际接触的小面内只有少部分膜被压破的区域才能形成直接接触，电流只能从这些更小的金属接触点通过。为了区分实际接触的小面中的导电和不导电部分，把实际发生机械接触的小面称为“机械接触斑点”，简称“接触斑点”，其中形成金属接触或准金属接触的更小面（实际传导电流的面）称为“导电斑点”，通常被称为“a斑点”。

当两个覆盖表面膜的接触元件相互接触时，其接触内表面的详细结构如图1 所示。在视在接触面Aa（即两接触元件宏观重叠接触的面积）中，只有很少部分的实际接触面Ab（即机械接触斑点面积之和），而在实际接触中又只有少部分导电面Ac（即导电斑点面积之和）。

图1 两个具有表面膜的接触元件相互接触时接触表面结构示意

导电斑点的存在使电流在流过接触元件内表面时，电流线发生收缩。由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过路径增长，有效导电面积减小，从而产生局部的附加电阻，即收缩电阻，如图2 所示。如果电流流过的导电斑点不是纯金属接触，而是通过极薄的膜时，还会遇到另一个附加电阻，即膜电阻。在电路中，这两部分附加电阻是串联相加的，这两个附加电阻被总称为接触电阻。

图2 导电斑点附近电流线发生收缩效应

GIS回路电阻主要由连接件的接触电阻和导电回路的体电阻组成，其中接触电阻是主要成分。GIS设备导电回路的接触电阻是指连接部位的端子接触面之间所产生的附加电阻。影响接触电阻的因素有很多，主要有导体材料性质、表面状况、接触形式、接触压力等。综合多种因素，接触电阻的表达见式（1）。

式中：Rj为接触电阻，μΩ；Fj为接触压力，N；Kc为与材料、表面状况有关的接触系数，铜镀银-铝镀银材料的Kc为100、铜镀银-铝材料的Kc为450；m为与接触形式有关的系数，点接触为0.5、线接触为0.7、面接触为1［14］。

1.2 收缩电阻的物理模型及计算

导电斑点的形状近似椭圆形，模型如图3 所示。假设接触面上的导电斑点为一椭圆平面，其长轴、短轴分别为α、β，等位面用参量μ来表示，其相应的收缩电阻见式（2）。

图3 导电斑点附近电流线和等位面剖面图（收缩电阻椭球场模型）

1.3 膜层电阻

当金属导体处于大气环境时，导体表面会很快产生一层氧化膜。若氧化膜层足够厚，会导致金属导体变成绝缘体；若氧化膜层较薄，在接触面上施加一定电压，金属导体之间会有电流流过，而氧化膜层会有一定的电阻，即膜层电阻Rt。若外界压力一定，且无其他外界因素的影响，Rt值基本保持恒定不变。

1.4 接触电阻计算理论

在实际工程应用中，大多数触头属球形粗糙表面接触。触头上覆盖着两层不同性质的膜，外层为绝缘膜，内层为极薄的导电膜。假设外层绝缘膜已被接触力压破，导电面上保留着极薄的导电膜，在大接触力下，接触电阻的表示见式（3）。

式中：r为球形接触表面的曲率半径；E为接触元件材料的弹性模量；ρ为接触元件材料的电阻率；H为接触元件材料的硬度；σf为导电膜的隧道电阻率；ξ为考虑表面粗糙度影响的矫正系数；F为接触力；a为导电斑点半径。其中，式（3）右边的第一项为收缩电阻分量，第二项为膜电阻分量［15］。

2 试验

2.1 试验原理及方法

采用电压降法对接触电阻进行测量，即在被测电阻上通100 A 的直流电流，用电压表来测量被测电阻上的电压降，然后利用欧姆定律计算出被测电阻。在GIS 主回路中，接触电阻一般较小，采用四线测量法能有效消除引线电阻对接触电阻的影响，测试原理如图4 所示。由于铝的化学性质较为活泼，常温条件下，其在空气中很容易形成坚硬的氧化膜，从而使接触电阻变大。接线前要用细纱布将被测试品的接线端和各测量接线点的氧化膜去掉，从而确保接触良好，保证测量的准确性［16］。

图4 试验测试原理

2.2 试验对象

以550 kV 弹簧触指连接铝制母线导体为研究对象，弹簧触指接触模型如图5 所示，根据定制的实物来进行相关试验研究。

图5 弹簧触指接触模型

2.3 试验平台

选用若干绝缘支撑和弹簧触指，导体接触部的镀银层厚度分别为0 μm、5 μm、8 μm、15 μm、24 μm的弹簧触指连接母线导体各5 组、接触面积研究用弹簧触指连接母线导体5 组、接触压力研究用弹簧触指连接母线导体5组，试验平台姿态如图6所示。

图6 试验平台姿态

2.4 试验步骤

2.4.1 镀银层厚度影响研究。结合实际生产情况，研究0 μm、5 μm、8 μm、15 μm、24 μm 这5 种厚度的镀银层对母线接触电阻产生的影响。严格按照生产工艺流程对母线连接部进行装配，分别对5种厚度的母线接触电阻进行多次测量。

2.4.2 接触面积影响研究。母线导体连接处选用厚度为8 μm 的镀银层，分别对安装1 道、2 道、3 道触指的接触电阻进行测量，分析接触面积对接触电阻的影响。

2.4.3 接触压力影响研究。导体连接处选用厚度为8 μm 的镀银层，变更接触压力。接触压力变更是在满足弹簧触指弹性形变范围内进行适当调整，弹簧压型前、压型后及并圈时的状态如图7、图8、图9 所示。在对并圈状态分析后可知，pcosφb=d，得到并圈倾角φb，通过实际计算测量得到并圈短轴（中心位置）Hb、并圈长轴Bb及极限压缩量。

图7 压型前弹簧状态

图8 压型后弹簧自由状态

图9 弹簧并圈时状态

根据以上计算结果，选取3 种接触压力对弹簧触指连接母线导体的接触电阻进行研究，总结接触压力对接触电阻产生的影响。为保证试验的精准度，以上关于镀银层厚度、接触面积及接触压力试验均在20 ℃的恒温环境中进行。

3 试验结果分析

3.1 镀银层厚度对接触电阻的影响

由于铝的导电性和导热性较好，且价格较低，从而被广泛用于制作母线，但其不耐弧，且化学性质活泼，常温条件下，在空气中容易生成厚厚的氧化膜（Al2O3）。Al2O3膜具有很好的绝缘性，导致接触电阻增大。在扩建电站现场后期调试设备时，通过前期出线套管对新老设备对接处的回路电阻进行测量，回路电阻值与管理值相差非常大，这是由于氧化膜没有彻底清除而造成的。银在常温下不易被氧化，高温下银的氧化物又很容易被还原成金属银，且其氧化物的电阻率也很小，加上银表面膜的机械性能差，易被压掉和磨破，其可用于连接固定接触，不影响导电性能，且其价格相对便宜，是理想的固定接触材料。在实际生产中，常对母线接触部进行镀银处理。此外，不同接触部位的镀银厚度不同。现场安装完成后，若无特殊情况，后期基本不会对母线导体连接面进行二次装配。对同一种结构母线导体接触部采用5 种不同厚度镀银处理后，研究镀银厚度对接触电阻产生的影响，多次试验结果如图10所示。

图10 镀银厚度对接触电阻影响数据分析

由图10 可知，随着镀银层厚度增加，接触电阻逐渐减小。当镀银层厚度从0 μm 增加至5 μm 时，母线导体接触部的接触电阻减小程度非常明显；当镀银层厚度从5 μm 增加至8 μm 时，接触电阻继续减小，但变化较小。随着镀银层厚度的增加，接触电阻会不断减小，但接触电阻的减小幅度却越来越小。因此，在实际生产中，镀银层厚度并非是越厚越好，而是根据额定电流要求，在满足温升试验要求的前提下，以经济指标最优为佳。

3.2 接触面积对接触电阻的影响

为研究接触面积对接触电阻的影响，对同种结构导体在同镀银厚度（8 μm）下，对装配1、2、3 道弹簧触指的接触电阻进行测量，测量结果见表1。分别计算每种状态下测量数据平均值，分析接触面积对接触电阻的影响，结果如图11所示。

表1 接触面积对接触电阻的影响测量结果

图11 接触面积对接触电阻的影响数据分析

由图11可知，当导体接触部弹簧触指由1道变为2 道时，接触电阻值从2.144 μΩ 降至1.312 μΩ，接触电阻改善比较明显；当触指增加至3 道时，接触电阻降至0.819 μΩ，接触电阻值的减小幅度稍微变缓。在同种接触状态（即导体间接触压力不变的情况）下，每道触指导电斑点的面积基本相同，随着弹簧触指的数量增加，导体间视在接触面积不断增大，导电斑点会相应增加。假设导体接触内表面有n个半径为a的导电斑点，总收缩电阻为，忽略膜电阻的影响，理论结合实际测量表明，随着导体接触面的不断变大，接触电阻不断减小，但减小幅度逐渐变缓，最终趋于一个稳定值。

3.3 接触压力对接触电阻的影响

通过调整弹簧触指的压缩变形量来改变接触压力的大小，从而研究接触压力对接触电阻的影响。测量施加3 种不同弹簧触指压缩变形量的导体接触电阻，弹簧触指在3 种状态下对应的接触压力及测量的接触电阻值见表2。弹簧触指压缩量与接触压力的关系如图12 所示，接触压力与接触电阻的关系如图13所示。

表2 接触压力对接触电阻的影响测量结果

图12 弹簧触指压缩量与接触压力的关系

图13 接触压力与接触电阻的关系

对图12、图13 分析后可知，在弹簧触指弹性形变范围内，随着弹簧触指压缩量的不断增大，导体接触部的接触压力会快速增加，对应接触电阻前期下降非常明显，然后趋于一种稳定略有下降的趋势，最终接触电阻值趋于稳定状态。在小接触压力下，接触电阻具有很大的分散性，并符合一定的统计分布特性；在大接触压力下，膜产生的影响很小，如果忽略膜电阻，接触电阻等于收缩电阻。因此，当弹簧触指压缩量在合理的形变范围内，即在一定区间内，接触压力的变化对接触电阻的影响不大，不会引起接触电阻产生较大的波动。因此，在实际工程中，选取合适的接触力至关重要。

4 结论

通过研究得到以下3个结论。

①导体接触部的镀银层厚度对接触电阻的影响非常大。尤其是，当导体接触部镀银层缺失时，其接触电阻值是镀银层为8 μm 时接触电阻值的5倍，因此在实际生产中，严禁接触部镀银层缺失的导体投入生产。当镀银层增加至8 μm 以上时，其对母线接触部接触电阻产生的影响不断减小。因此，在一定镀银层范围内，随着镀银层厚度的增加，接触电阻逐渐减小。

②接触力一定时，在一定范围内，通过调整接触部的视在接触面积，能有效增加导体内表面接触部的导电斑点。随着导电斑点的增加，收缩电阻及膜电阻不断减小，总的接触电阻也会不断减小。因此，生产时可根据产品温升的需求，结合经济因素来适当调整导体接触部的接触面积，从而满足生产需求。

③在弹性接触阶段，随着接触压力的不断变大，导体间的接触更紧实，相应的机械接触斑点增加，导电斑点也相应增大，导体间的实际接触面积也必然增加，接触电阻不断减小。随着弹簧触指压缩量的不断增加，当弹簧压缩量增加至最大值时，接触面积趋于稳定，接触压力再增加也基本不对接触电阻造成多少影响，接触电阻趋于稳定。因此，在实际生产中，GIS 接触部接触压力的选取非常重要，过小会造成接触电阻较大，甚至会影响设备的安全运行；过大会造成装配困难、资源浪费。