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浅析电力专用逆变电源-电力系统电气连接与接触电阻

文中介绍了接触电阻的概念、产生机理及组成,分析了接触电阻增大的原因,阐述了降低电力专用逆变电源-电力系统电气连接接触电阻的技术措施,探讨了“电接触学”的研发动向。

关键词:电力专用逆变电源-电力系统电气连接  接触电阻  技术措施  研发动向

1.概述
在电力专用逆变电源-电力系统中,不仅元件之间、电路之间、设备之间乃至元件内部都需要可靠的电力专用逆变电源-电力系统电气连接。任何一个连接处出现故障,都会影响系统的可靠运行。甚至引发停电事故或引发电气火灾,根据电气事故的统计分析,60%的电气事故的隐患和重大的电气事故的发生,往往都与电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触不良有关。

然而,要确保电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触可靠并非易事,因电力专用逆变电源-电力系统电气连接与需连接的电气设备、连接器件、连接方式、连接工艺、连接材料等密切相关,其连接的可靠性不仅取决于连接器件本身的材料、结构与几何尺寸等参数,更因电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触点大多暴露在大气中,大气污染如尘土、腐蚀性气体、湿度、温度,都会直接影响连接可靠性。由于现代工业、航天、军事等部门对供电的可靠性都提出了较高的要求,而电流在电力专用逆变电源-电力系统电气连接部位传导过程中,各种随机因素都将影响到电力专用逆变电源-电力系统电气连接的可靠性,如电流热效应、电动力、外界大气污染、温度、湿度影响和电磁干扰等都会造成电力专用逆变电源-电力系统电气连接接触的不可靠。

由于电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触表面有一定粗糙度,真正的接触点非常小,(大多在微米范围内),一旦在该处介入尘土颗粒或腐蚀生成物,用宏观方法是无法观察的,只有借助微观检测手段,常用的如扫描电子显微镜(观察形貌),X射线能谱仪,X射线波谱仪(分析元素成份),光学显微镜(观察形貌)等。因为腐蚀生成物大多绝缘,故接触表面的接触电阻增加,导致电力专用逆变电源-电力系统电气连接的电气性能下降。为了降低电力专用逆变电源-电力系统电气连接接触表面的接触电阻,故电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触表面不能采用一般金属,常用的大多为贵金属,如金合金(镍或钴)钯合金(镍)等,而检验电力专用逆变电源-电力系统电气连接接触表面质量也只能用微观手段,肉眼无法辨别。
浅析电力专用逆变电源-电力系统电气连接与接触电阻

2.接触电阻

电力专用逆变电源-电力系统电气连接中的接触电阻是指两个接触导体在接触部分产生的电阻。在选用时要注意到两个问题,第一,电力专用逆变电源-电力系统电气连接的接触电阻指标事实上是接触对电阻,它包括接触电阻和接触对导体电阻。通常导体电阻较小,因此接触对电阻在很多技术规范中被称为接触电阻。第二,在连接小信号的电路中,要注意给出的接触电阻指标是在什么条件下测试的,因为接触表面会附则氧化层,油污或其他污染物,两接触件表面会产生膜层电阻。在膜层厚度增加时,电阻迅速增大,是膜层成为不良导体。但是,膜层在高接触压力下会发生机械击穿,或在高电压、大电流下会发生电击穿。对某些小体积的连接器件设计的接触压力相当小,使用场合仅为mA 和mV级,膜层电阻不易被击穿,可能影响电信号的传输。在GB5095《电在设备用机电元件基本试验规程及测量方法》中的接触电阻测试方法之一“接触电阻——毫伏法“规定,为了防止接触件上绝缘薄膜被击穿,测试回路的开路电动势的直流或交流峰值应不大于20mV,直流或交流试验电流应不大于100mA。事实上这是一种低电平接触电阻的测试方法。接触电阻有以下几部分组成:

1)集中电阻。电流通过实际接触面时,由于电流线收缩(或称集中)显示出来的电阻。将其称为集中电阻或收缩电阻。

2)膜层电阻。由于接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻。从接触表面状态分析;表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。故确切地说,也可把膜层电阻称为界面电阻。

3)导体电阻。实际测量接触面的接触电阻时,都是在接点引出端进行的,故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能,它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。

为便于区分,将集中电阻加上膜层电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻。在实际测量接触电阻时,常使用按开尔文电桥四端子法原理设计的接触电阻测试仪(毫欧计),其专用夹具夹在被测接触件端接部位两端,故实际测量的总接触电阻R由以下三部分组成,可由下式表示:

R=RC+Rf+Rp
式中:RC为集中电阻;Rf为膜层电阻;Rp为导体电阻。

接触电阻检验目的是确定电流流经接触件的接触表面的电触点时产生的电阻。如果有大电流通过高阻触点时,就可能产生过分的能量消耗,并使触点产生危险的过热现象。在很多应用中要求接触电阻低且稳定,以使触点上的电压降不致影响电路状况的精度。

3.接触电阻增加的原因

由于运行条件的限制,电气设备经常暴露于空气中,氧化及大气污染所产生的电化效应是使电气设备接触电阻增大的关键因素。电气设备的连接一般采用铜、铝等金属材料,其氧化物比它本身的电阻大几百倍,实验表明,在40×40mm的纯铝接触面上,如果存在50埃厚的氧化铝薄膜,在保持足够大的接触压力,其薄膜已处于临界变形状态,其接触电阻达到数千个微欧级;在绝缘油中运行的电气设备触头,受绝缘油老化及其他形式的影响,在触头表面会出现由物理、化学等诸多因素产生的污染薄膜,这种薄膜一旦形成,就会不断地使别的接触点丧失载流能力,接触电阻开始缓慢地增加,一旦接触点减少到某一临界值,其温升就会超过电气设备的允许值,进一步引起接触面的氧化,从而使接触电阻急剧上升,造成恶性循环。

受大气污染的影响,我国不同程度地受到酸雨的危害,研究及资料显示,酸雨与铜接触后,会生成氧化铜、氧化亚铜、硫化铜、硫化亚铜、硫酸铜等化学物质,它不但使接触处的接触电阻增大,同时还会进一步腐蚀接触面,产生连锁反应。

如果不有效地去除电气设备相互接触表面覆盖的由气体薄膜、氧化物、硫化物或触头材料与周围介质反应后的生成物等构成的薄膜状物质的影响,势必在电气设备的连接处存在接触电阻,如果此接触电阻超出一定的数值,就会严重降低电气设备的载流能力,同时还会在电气设备连接处产生不允许的热效应,直至产生故障及事故。有效地降低电气设备连接处的接触电阻,使之在可控状态下运行,是供用电部门的常设性工作之一。导致电力专用逆变电源-电力系统电气连接接触电阻增加的原因有:

1)电力专用逆变电源-电力系统电气连接安装工艺不当。在连接安装过程中,错误使用砂纸打磨连接体的接触表面时,将会有一定数量的玻璃屑及砂粒嵌入连接体的金属接触表面内,导致有效接触面积减少而使接触电阻增大。

2)紧固螺栓压力不当。电气安装人员在电力专用逆变电源-电力系统电气连接操作中存在一个误区,认为联接螺栓拧的愈紧愈好,其实不然。例如;在铝母线连接时,因铝质母线弹性系数小,当螺母的压力达到某个临界压力值时,若材料的强度差,再继续增加不当的压力,将会造成接触面部分变形隆起,反而使接触面积减少,接触电阻增大。

3)不同金属的膨胀效应引起。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多,尤其是螺栓型设备接头,在运行中随着负荷电流及温度的变化,其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变。所谓蠕变就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形,蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。实践证明,当接头处的运行工作温度超过80℃时,接头金属将因过热而膨胀,使接触表面位置错开,形成微小空隙而氧化。当负荷电流减少温度降低回到原来接触位置时,由于接触面氧化膜的覆盖,不可能是原安装时金属间的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻,将会使下一次循环的热量增加,所增加的较高温度又使接头的工作状况进一步变坏,因而形成恶性循环。

4)不同材质接头接触表面的微电池腐蚀效应。据有关试验文献资料表明,铜的标准电势为+0.34V,铝的标准电势为-1.28V,铜铝之间的电势差为+1.62V。若铜铝直接接触,空气中的水和氧化碳及其它有害杂质会在接头接触表面形成电解液。由于两极直接接触,便会有微弱的电流流动,在电解液的作用下,使接触表面逐渐腐蚀,引起接触电阻增大。

4.降低接触电阻措施

电力专用逆变电源-电力系统电气连接若达不到连接的技术要求,将会使连接部位的接触电阻增大,因而导致电气设备不能正常运行,甚至造成重大的事故和经济损失。在实际工作中,通常采用如下几种措施来降低接触电阻。

1)清洁处理。清洁电力专用逆变电源-电力系统电气连接部分不能用砂纸、抹布或纸来擦试,砂纸上的颗粒比接触材料硬度大而且不导电,一旦侵入接触面,会使其电阻增大10~20倍。 抹布或纸会在接触表面留有细毛,导致接触不良。最好的方法是用皮毛或金属薄片来擦,再用酒精清洗。但是不能用酸碱液来清洗。

2)防止氧化。为防止铜与铜的接触面氧化,可在其表面涂锡或镀银。涂锡后虽然接触电阻有所增加,但可使接触电阻保持在相当稳定的数值内。在铜表面镀银是避免氧化的最可靠保证,银的氧化物导电率与银接近,但镀银会使连接成本增加。

接触表面要进行防氧化处理应优先采用电力复合脂(即导电膏)以代替传统常规的凡士林。实践表明,中性凡士林无任何导电作用,只能起到防止水分渗入和隔离空气的作用,并且凡士林的滴点仅为54℃。所谓滴点就是在标准条件下,油脂物质从半固体变成液体状态的温度。当运行温度高于54℃时,凡士林就会慢慢渗化流失而干涸,空气的有害介质沿接触表面空隙侵入,使接头表面氧化腐蚀。而新型的电力复合脂,滴点达180~220℃,凝固点低(-20~-30℃),其中所含的锌、镍、铬等金属细粒填充在接头接触表面的缝隙中,金属细粒在螺栓紧固力的作用下,能破碎接触面的氧化膜层,降低接触电阻。同时还可以在接头整个表面形成一个保护层而起到隔绝空气和水分的渗入,起到防止氧化的作用。这里需要指出的是,导电膏并非良导体,它在接触面上的导电性能是借“遂道效应”来实现的。所谓“遂道效应”就是指粒子通过一个势能大于总能量的有限区域。这是一种量子力学现象,按照经典力学是不可能出现的。因此,导电膏在接触面上不可涂得太厚,否则会影响其使用效果。

3)接触压力的保持。电气设备在运行中,其连接部分受电动力作用或其他机械震动,会使连接螺栓松动,连接处接触表面的压力随之减小,致使接触面积减小,接触电阻增大。为防止此种情况发生,可在螺帽下加弹簧垫。

总之,在施工中做好电气的连接,将其接触电阻降至最低点,对于电力设备安全运行、减少停电损失,有着非常重要的意义。

5.电接触学研究发展方向

电接触学是一门研究电气可靠连接的科学,传统上,称这门学科叫“电接触学”,电接触科学尽管是一门交叉科学,但却是一门独立学科,它有独立的理论及特殊的研究方法,有独自的工业和研究、教育体系以及独立的学术组织。电接触科学是随电力、电子学的发展而发展,它一直是IEEE学会中最活跃的分支学科之一。

随着21世纪电子信息产业迅猛发展的需要,电接触学研究发展方向也逐步归纳为以下几个方面。电接触现象与基本理论、大气环境及其效应、新材料、检测手段与方法、机电元件设计、计算机/数字模拟 、可靠性估计与故障检测 、加工工艺。
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