转载米兰帖---【深度解读】电气连接的可靠性

电气连接的可靠性一直以来广受关注。尽管在电力系统中采用了各种各样预防性的维护措施，并且有多个标准/规范提供指导，但是系统可靠性的有关问题依然普遍存在。在此，我们披露一些影响电气连接可靠性和使用寿命的主要参数，尤其是使用铝导体作为连接材料时的情况。

影响可靠性的因素保证电接触可靠性的重要问题之一，就是界面的不连续性质。固体之间的电接触是在接触界面内部的不连续区域内形成的，这些区域（a-点）是唯一的电流导体路径。

真实导体接触区域的形成，控制着电接触的可靠性和有效性。这些过程取决于大量独立或者相互关联的因素。按照习惯方法，我们可以将多种多样的因素划分为由运行条件所限定的性能因素与由接触单元的制造特性所确定的设计技术因素。性能因素（参数）基本上可以划分为两组：内部的和外部的（图1、图2）。

图1. 性能因素对于电接触可靠性的效应

图2. 设计技术因素对于电接触性能的效应

图2以框图的形式表示设计技术因素对于电接触可靠性和质量的影响。所选定的触点材料的种类、触点的几何形状、分隔接触面的中间层、触点覆盖层的质量以及触点表面的微观形状等因素，确定了表面的接触区域，尺寸大小，数量以及接触点的分布状况。而这种状况反过来也会影响到真实的电接触区域，它的紧缩以及表面膜阻抗，并且最终也会影响到电接触的可靠性。

铝及其合金材料在电力行业的广泛应用，促进了针对铝材料电气连接的发生过程的大量研究工作。已发表的试验结果以及各种各样有关供电服务问题的报告，已经清楚地表明，我们并不能通过应用那些针对铜导体接头的已经习以为常的操作和方法，来获得可靠的铝材料电气连接。

铝材料的电气连接故障机理具有其复杂性，图3以回路的形式对此进行了最好的说明。如果想要详细了解这一回路，那就需要充分理解在各种不同负载以及环境条件下，那些影响到铝材料和其它导体和触点材料的参数。

图3. 铝材料连接的损耗机理框图接触区域人们已经发现（Holm，1967），真实表面并非是平面的，它包含着许多粗糙不平的表面。因此，当两个金属发生接触的时候，接触体表面的粗糙不平就会穿透自然的氧化层和其它的表面污染膜，形成局部的金属触点，并且由此而造成导电路径。当接触力增大时，由于氧化膜遭到破坏以及通过这些破坏而造成的金属挤压，使得这些较小的金属-金属接触点的数量和区域也会增加。这些接触点被称为a-点，它们是一些较小的冷结合点，形成了电流传输的唯一的导电路径。这样一来，通过接触界面的电流被视为如同通过这些a-点一样，如图4所示。

因此，这种由于被集中限定的电流而形成的触点电阻抗就被称为“集中阻抗”，它与金属的基本性质有关，例如：硬度和电阻率。
图4. 真实接触区域与电流集中的图示这种两个相同的触点金属所形成的单独a-点的集中阻抗可以用下列公式表示（Holm，1967）：

Rc=p/（2a）,（1）

其中p是导电金属的电阻率，a是金属与金属接触区域的半径。由于金属并不纯净，电流通过时，可能会受到通常存在于铜材料表面的薄氧化层、硫化物以及其它非有机物薄膜的影响。因此，一个接点的总接触阻抗应为集中阻抗（Rc）与薄膜阻抗（Rf）之和：

R= Rc + Rf ,Rf=σ/（πa2）,（2）

其中σ是薄膜的单位面积阻抗。在大部分实际应用里，这些薄膜对于总接触阻抗的影响并不重要，这是由于接触点通常是由表面薄膜的机械性破坏而形成的。

通过增大表面粗糙度，即可增加电流导体路径的数量，并且增加更多电流的相同分布，因此也就增加了在更小负载下形成比平滑表面更加多的金属-金属接触的可能性。因此，比起那些粗糙研磨的接触表面来，就会具有比较理想的更低接触阻抗（Naybour and Farrell，1973a；Oberg and Olsson，1992）。

当电流被限制在只能通过导电点（a-点）流动时，接触点（Tc）的温度可能会高于整体（Tb）的温度。因此，如果金属-金属接触连续地分布在整个接触区域时，可能出现的集中阻抗和阻抗比值的增大可以用
下列公式表示：

Rc= Rc（0）[1+2/3（Tc-Tb）].（3）

其中的（Tc-Tb）项被称为超温度，并且和通过接触界面的电压降（U）有关：

Tc2 –Tb2=U2/（4L）,（4）

其中L是威德曼-弗兰兹·洛伦兹数（2.45× 10-8V2/K2）。因此，接触电压（U）的轻微增大，有可能引起超温度的足够升高，导致出现金相变化，例如：导电区域的软化甚至融解。

在良好的连接当中，界面的温度只会稍高于整体的温度，但是在不好的连接当中，超温度会高于整体的温度，并且加速了接触区域的损耗，导致出现更高的阻抗。这种损耗会不断累积，导致温度持续升高，并且最终出现连接故障。

连接件的损耗缓慢地进行，其速度由接触区域内及其环境条件下各种不同过程的性质所确定。这一初始阶段持续很长时间，并没有什么明显的损耗，一直到连接件寿命的末期，此时触发了自我加速的损耗，其原因就在于热力、化学、机械与电力过程之间的相互作用，从而导致接触阻抗突然增大（Williamson，1968）。灰尘腐蚀这种腐蚀的发生，归因于灰尘当中存在水溶性的盐分。这样的溶液会形成电解质，并且会导致金属的腐蚀。相对湿度和pH值是影响灰尘腐蚀的最重要的参数。灰尘微粒的腐蚀几乎是随着相对湿度的增大而线性地增强，如图5所示。图6则显示了围绕着灰尘微粒的腐蚀生成物的典型情况。

图5. 不同pH值下随相对湿度变化的灰尘微粒腐蚀


图6. 围绕灰尘微粒的腐蚀生成物的SEM图像烧结烧结是一个常见的问题，具有重要的实际意义，因为它会影响到许多的电器设备，导致更换昂贵的部件，甚至还会造成更加严重的设备停止运行故障。这一过程被确定为不断加重的表面损害，它发生在经受小幅振荡运动的接触材料的界面。引起烧结的原因可能是机械振动、差动热膨胀、负载减轻以及当电源接通和关闭时所产生的汇结热。

烧结通常与不大于125μm的滑动幅度有关。烧结的性质取决于许多的变量，人们已经提出了许多理论来评估所观察到的效应，但是尚未形成一个针对这一过程的统一模型。图7给出了铝材料与铜材料触点和镀锡触点的烧结损耗的实例。

图7a:电接触当中烧结损耗的变化

图7:烧结对于（b）铝-铜触点和（c）铝-锡（镀锡的铜材料）触点的接触阻抗的影响螺栓连接的接头的可靠性，通常归结于它具有较大的接触力以及较大的表面接触区域，实际上在接触体之间没有相对的位移。尽管这可能对于铜-铜接头是成立的，但是它当然与铝-铜连接的情况不同。

铝材料由于它所具有的更高热膨胀系数而凸显出其差动热膨胀的性质（比铜材料高出1.36倍），这将会导致接触界面的位移，切断接触界面处的金属粘结，并且会引起较大的接头损耗。

关于实时连接件的烧结损耗，已经有报告论述了镀锡螺栓连接接头的情况，它们通常应用于输配电变压器。这些连接件在运行了7年至10年以后，由于在正常运行条件下出现过热现象，或者在电网当中呈现出不稳定的性能，因此已经被拆除了。

图8显示出一个连接件当中出现严重烧结损耗的典型实例，可以明显看到累积烧结碎片的特性以及在接触区域内的螺栓孔附近形成的氧化物。可以发现，这些接触区域的接触阻抗快速增大到非常高的数值，并且在某些位置，甚至出现了电路断路的情况（见图9）。

图8. 在一个结束运行的镀锡连接件上的烧结老化

图9. 由烧结引起的接触区域内接触阻抗的变化不久以前，在交流电（60Hz）和直流电条件下，烧结频率为1Hz，滑动幅度为100μm，电流为50mA时，我们研究了铜与铜触点的烧结效应（Braunovic and Gervais，1990年）。其结果表明，在交流电和直流电条件下，铜与铜导线-平板偶合的整体接触阻抗的状况，实际上与图10所示的情况相同。

图10. 烧结效应对于直流电（a）和交流电（b）下铜与铜导线-平板触点的接触阻抗的影响。

烧结条件：接触负载400 grf，烧结频率1 Hz，滑动幅度100 μm，电流50 mA这些交流电条件下的样本的特性，是接触电压（图11）的严重畸变，而且大量薄片状的烧结碎片的存在，广泛稀疏地分布在接触区域的周围（图12）。但是，在直流条件下烧结碎片的样本被压缩，并没有呈现出薄片状的碎片。

图11. 初始和40000次烧结周期以后的接触电压波形
图12.
（a）交流条件下和 （b）直流条件下，40000次烧结周期以后接触区域的SEM图像金属互化物双金属结合，尤其是铝-铜结合，正在被越来越多地应用于电力行业的各个方面。此类接头由摩擦焊接、压力焊接、扩散粘结和辊压接合、火花电弧焊和防爆焊接等各种方法制成，其特点是具有相对稳定的接头界面，以及可以忽略不计的金属间构造。但是，在运行当中，对于电网的经常性电流冲击波可能会产生比较有利于形成内扩散的条件，因此产生核化作用并且在初始界面上或者在其附近生成金属互化物。这反过来又会严重地损害整体的电力稳定性和双金属接头的机械完整性，这是因为金属间相具有更高的电阻抗，以及较低的机械强度。

根据已经发布的试验结果表明，对于采用辊压接合、热压和火花电弧焊等工艺制成的铝-铜接头，其机械特性和电力特性在很大程度上受到位于接头界面的金属互化物的形成及其发展的影响。当金属间相的总宽度超过2至5μm时，铝-铜接头很快就会失去它的机械完整性

• 0人已收藏

• 0人已打赏

  免费
• 0人已点赞

• 分享

  复制链接 新浪微博 微信扫一扫