影響GIS固定接觸部接觸電阻的因素研究

劉金賀 郝春來(lái) 李文昊 肖鶴旋

（河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，在所有電力傳輸和分配、大多數(shù)控制和信息交換過(guò)程中，電力至少有一次電接觸。電氣觸點(diǎn)發(fā)生故障可能會(huì)有很?chē)?yán)重的后果。中國(guó)電網(wǎng)容量的迅速增長(zhǎng)和電力電子技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（GIS）設(shè)備做出的巨大貢獻(xiàn)。GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，深受人們的青睞。550 kV GIS 長(zhǎng)母線(xiàn)承擔(dān)主要的電力運(yùn)輸任務(wù)，長(zhǎng)距離的電力輸送使母線(xiàn)之間必然存在大量電接觸，要不斷減少母線(xiàn)因自身?yè)p耗而發(fā)熱的情況。溫升是影響GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要物理量，而電阻是影響設(shè)備溫升的重要因素。對(duì)GIS 設(shè)備而言，導(dǎo)電回路電阻一直是影響設(shè)備質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)的重要技術(shù)指標(biāo)，在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均有明確規(guī)定［1］。

接觸電阻是所有電接觸件中最重要和最普遍的物理量，與整個(gè)電路電阻相比，接觸電阻明顯更小，在其發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝置出現(xiàn)嚴(yán)重故障。這是因?yàn)榻佑|電阻會(huì)隨實(shí)際接觸面積、接觸壓力、電阻膜不均勻性及其他因素的變化而發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致電壓增加，使設(shè)備的精細(xì)調(diào)整或良好操作變得更困難。接觸電阻是表征某一導(dǎo)電回路連接是否良好的關(guān)鍵參數(shù)，每一種高壓設(shè)備接觸電阻值的大小都有相關(guān)規(guī)定。若接觸電阻超過(guò)規(guī)定值，很可能是導(dǎo)電回路某一連接處接觸不良所致的。通常GIS 設(shè)備的額定電流較大，若設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)電回路接觸不良，則接觸不良處的局部會(huì)溫升增高，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐山佑|部分熔焊，所以要加倍注意應(yīng)用于大電流運(yùn)行的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備［1］。因此，對(duì)GIS 固定接觸部接觸電阻的影響因素進(jìn)行研究是非常必要的［2-13］。

本研究選用幾種典型的鋁制母線(xiàn)導(dǎo)體，從鍍銀層厚度、接觸面積、接觸壓力這3 個(gè)方面出發(fā)，對(duì)GIS固定接觸部的接觸電阻進(jìn)行試驗(yàn)。在彈性接觸下，研究鍍銀層厚度、接觸面積、接觸壓力對(duì)固定接觸部接觸電阻的影響。

1 接觸電阻計(jì)算理論

1.1 接觸電阻理論基礎(chǔ)

任何經(jīng)過(guò)精細(xì)加工的名義上平面，實(shí)際上都是粗糙不平的表面。當(dāng)這種名義上的平面相互接觸時(shí)，即外加很大的接觸力（如彈簧力、螺栓力）使兩個(gè)表面相互緊壓，但接觸面上也只有少數(shù)的點(diǎn)（小面）發(fā)生了真正接觸，這些實(shí)際接觸的小面承受全部的外加接觸力。由于金屬表面一般都覆蓋著不導(dǎo)電的氧化膜或其他類(lèi)型的膜，導(dǎo)致在實(shí)際接觸的小面內(nèi)只有少部分膜被壓破的區(qū)域才能形成直接接觸，電流只能從這些更小的金屬接觸點(diǎn)通過(guò)。為了區(qū)分實(shí)際接觸的小面中的導(dǎo)電和不導(dǎo)電部分，把實(shí)際發(fā)生機(jī)械接觸的小面稱(chēng)為“機(jī)械接觸斑點(diǎn)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“接觸斑點(diǎn)”，其中形成金屬接觸或準(zhǔn)金屬接觸的更小面（實(shí)際傳導(dǎo)電流的面）稱(chēng)為“導(dǎo)電斑點(diǎn)”，通常被稱(chēng)為“a斑點(diǎn)”。

當(dāng)兩個(gè)覆蓋表面膜的接觸元件相互接觸時(shí)，其接觸內(nèi)表面的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在視在接觸面Aa（即兩接觸元件宏觀重疊接觸的面積）中，只有很少部分的實(shí)際接觸面Ab（即機(jī)械接觸斑點(diǎn)面積之和），而在實(shí)際接觸中又只有少部分導(dǎo)電面Ac（即導(dǎo)電斑點(diǎn)面積之和）。

圖1 兩個(gè)具有表面膜的接觸元件相互接觸時(shí)接觸表面結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)電斑點(diǎn)的存在使電流在流過(guò)接觸元件內(nèi)表面時(shí)，電流線(xiàn)發(fā)生收縮。由于電流線(xiàn)在導(dǎo)電斑點(diǎn)附近發(fā)生收縮，使電流流過(guò)路徑增長(zhǎng)，有效導(dǎo)電面積減小，從而產(chǎn)生局部的附加電阻，即收縮電阻，如圖2 所示。如果電流流過(guò)的導(dǎo)電斑點(diǎn)不是純金屬接觸，而是通過(guò)極薄的膜時(shí)，還會(huì)遇到另一個(gè)附加電阻，即膜電阻。在電路中，這兩部分附加電阻是串聯(lián)相加的，這兩個(gè)附加電阻被總稱(chēng)為接觸電阻。

圖2 導(dǎo)電斑點(diǎn)附近電流線(xiàn)發(fā)生收縮效應(yīng)

GIS回路電阻主要由連接件的接觸電阻和導(dǎo)電回路的體電阻組成，其中接觸電阻是主要成分。GIS設(shè)備導(dǎo)電回路的接觸電阻是指連接部位的端子接觸面之間所產(chǎn)生的附加電阻。影響接觸電阻的因素有很多，主要有導(dǎo)體材料性質(zhì)、表面狀況、接觸形式、接觸壓力等。綜合多種因素，接觸電阻的表達(dá)見(jiàn)式（1）。

式中：Rj為接觸電阻，μΩ；Fj為接觸壓力，N；Kc為與材料、表面狀況有關(guān)的接觸系數(shù)，銅鍍銀-鋁鍍銀材料的Kc為100、銅鍍銀-鋁材料的Kc為450；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，點(diǎn)接觸為0.5、線(xiàn)接觸為0.7、面接觸為1［14］。

1.2 收縮電阻的物理模型及計(jì)算

導(dǎo)電斑點(diǎn)的形狀近似橢圓形，模型如圖3 所示。假設(shè)接觸面上的導(dǎo)電斑點(diǎn)為一橢圓平面，其長(zhǎng)軸、短軸分別為α、β，等位面用參量μ來(lái)表示，其相應(yīng)的收縮電阻見(jiàn)式（2）。

圖3 導(dǎo)電斑點(diǎn)附近電流線(xiàn)和等位面剖面圖（收縮電阻橢球場(chǎng)模型）

1.3 膜層電阻

當(dāng)金屬導(dǎo)體處于大氣環(huán)境時(shí)，導(dǎo)體表面會(huì)很快產(chǎn)生一層氧化膜。若氧化膜層足夠厚，會(huì)導(dǎo)致金屬導(dǎo)體變成絕緣體；若氧化膜層較薄，在接觸面上施加一定電壓，金屬導(dǎo)體之間會(huì)有電流流過(guò)，而氧化膜層會(huì)有一定的電阻，即膜層電阻Rt。若外界壓力一定，且無(wú)其他外界因素的影響，Rt值基本保持恒定不變。

1.4 接觸電阻計(jì)算理論

在實(shí)際工程應(yīng)用中，大多數(shù)觸頭屬球形粗糙表面接觸。觸頭上覆蓋著兩層不同性質(zhì)的膜，外層為絕緣膜，內(nèi)層為極薄的導(dǎo)電膜。假設(shè)外層絕緣膜已被接觸力壓破，導(dǎo)電面上保留著極薄的導(dǎo)電膜，在大接觸力下，接觸電阻的表示見(jiàn)式（3）。

式中：r為球形接觸表面的曲率半徑；E為接觸元件材料的彈性模量；ρ為接觸元件材料的電阻率；H為接觸元件材料的硬度；σf為導(dǎo)電膜的隧道電阻率；ξ為考慮表面粗糙度影響的矯正系數(shù)；F為接觸力；a為導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑。其中，式（3）右邊的第一項(xiàng)為收縮電阻分量，第二項(xiàng)為膜電阻分量［15］。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理及方法

采用電壓降法對(duì)接觸電阻進(jìn)行測(cè)量，即在被測(cè)電阻上通100 A 的直流電流，用電壓表來(lái)測(cè)量被測(cè)電阻上的電壓降，然后利用歐姆定律計(jì)算出被測(cè)電阻。在GIS 主回路中，接觸電阻一般較小，采用四線(xiàn)測(cè)量法能有效消除引線(xiàn)電阻對(duì)接觸電阻的影響，測(cè)試原理如圖4 所示。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，常溫條件下，其在空氣中很容易形成堅(jiān)硬的氧化膜，從而使接觸電阻變大。接線(xiàn)前要用細(xì)紗布將被測(cè)試品的接線(xiàn)端和各測(cè)量接線(xiàn)點(diǎn)的氧化膜去掉，從而確保接觸良好，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性［16］。

圖4 試驗(yàn)測(cè)試原理

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

以550 kV 彈簧觸指連接鋁制母線(xiàn)導(dǎo)體為研究對(duì)象，彈簧觸指接觸模型如圖5 所示，根據(jù)定制的實(shí)物來(lái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

圖5 彈簧觸指接觸模型

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)

選用若干絕緣支撐和彈簧觸指，導(dǎo)體接觸部的鍍銀層厚度分別為0 μm、5 μm、8 μm、15 μm、24 μm的彈簧觸指連接母線(xiàn)導(dǎo)體各5 組、接觸面積研究用彈簧觸指連接母線(xiàn)導(dǎo)體5 組、接觸壓力研究用彈簧觸指連接母線(xiàn)導(dǎo)體5組，試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)姿態(tài)

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 鍍銀層厚度影響研究。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，研究0 μm、5 μm、8 μm、15 μm、24 μm 這5 種厚度的鍍銀層對(duì)母線(xiàn)接觸電阻產(chǎn)生的影響。嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝流程對(duì)母線(xiàn)連接部進(jìn)行裝配，分別對(duì)5種厚度的母線(xiàn)接觸電阻進(jìn)行多次測(cè)量。

2.4.2 接觸面積影響研究。母線(xiàn)導(dǎo)體連接處選用厚度為8 μm 的鍍銀層，分別對(duì)安裝1 道、2 道、3 道觸指的接觸電阻進(jìn)行測(cè)量，分析接觸面積對(duì)接觸電阻的影響。

2.4.3 接觸壓力影響研究。導(dǎo)體連接處選用厚度為8 μm 的鍍銀層，變更接觸壓力。接觸壓力變更是在滿(mǎn)足彈簧觸指彈性形變范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，彈簧壓型前、壓型后及并圈時(shí)的狀態(tài)如圖7、圖8、圖9 所示。在對(duì)并圈狀態(tài)分析后可知，pcosφb=d，得到并圈傾角φb，通過(guò)實(shí)際計(jì)算測(cè)量得到并圈短軸（中心位置）Hb、并圈長(zhǎng)軸Bb及極限壓縮量。

圖7 壓型前彈簧狀態(tài)

圖8 壓型后彈簧自由狀態(tài)

圖9 彈簧并圈時(shí)狀態(tài)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取3 種接觸壓力對(duì)彈簧觸指連接母線(xiàn)導(dǎo)體的接觸電阻進(jìn)行研究，總結(jié)接觸壓力對(duì)接觸電阻產(chǎn)生的影響。為保證試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，以上關(guān)于鍍銀層厚度、接觸面積及接觸壓力試驗(yàn)均在20 ℃的恒溫環(huán)境中進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鍍銀層厚度對(duì)接觸電阻的影響

由于鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好，且價(jià)格較低，從而被廣泛用于制作母線(xiàn)，但其不耐弧，且化學(xué)性質(zhì)活潑，常溫條件下，在空氣中容易生成厚厚的氧化膜（Al2O3）。Al2O3膜具有很好的絕緣性，導(dǎo)致接觸電阻增大。在擴(kuò)建電站現(xiàn)場(chǎng)后期調(diào)試設(shè)備時(shí)，通過(guò)前期出線(xiàn)套管對(duì)新老設(shè)備對(duì)接處的回路電阻進(jìn)行測(cè)量，回路電阻值與管理值相差非常大，這是由于氧化膜沒(méi)有徹底清除而造成的。銀在常溫下不易被氧化，高溫下銀的氧化物又很容易被還原成金屬銀，且其氧化物的電阻率也很小，加上銀表面膜的機(jī)械性能差，易被壓掉和磨破，其可用于連接固定接觸，不影響導(dǎo)電性能，且其價(jià)格相對(duì)便宜，是理想的固定接觸材料。在實(shí)際生產(chǎn)中，常對(duì)母線(xiàn)接觸部進(jìn)行鍍銀處理。此外，不同接觸部位的鍍銀厚度不同。現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，若無(wú)特殊情況，后期基本不會(huì)對(duì)母線(xiàn)導(dǎo)體連接面進(jìn)行二次裝配。對(duì)同一種結(jié)構(gòu)母線(xiàn)導(dǎo)體接觸部采用5 種不同厚度鍍銀處理后，研究鍍銀厚度對(duì)接觸電阻產(chǎn)生的影響，多次試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 鍍銀厚度對(duì)接觸電阻影響數(shù)據(jù)分析

由圖10 可知，隨著鍍銀層厚度增加，接觸電阻逐漸減小。當(dāng)鍍銀層厚度從0 μm 增加至5 μm 時(shí)，母線(xiàn)導(dǎo)體接觸部的接觸電阻減小程度非常明顯；當(dāng)鍍銀層厚度從5 μm 增加至8 μm 時(shí)，接觸電阻繼續(xù)減小，但變化較小。隨著鍍銀層厚度的增加，接觸電阻會(huì)不斷減小，但接觸電阻的減小幅度卻越來(lái)越小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，鍍銀層厚度并非是越厚越好，而是根據(jù)額定電流要求，在滿(mǎn)足溫升試驗(yàn)要求的前提下，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)為佳。

3.2 接觸面積對(duì)接觸電阻的影響

為研究接觸面積對(duì)接觸電阻的影響，對(duì)同種結(jié)構(gòu)導(dǎo)體在同鍍銀厚度（8 μm）下，對(duì)裝配1、2、3 道彈簧觸指的接觸電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。分別計(jì)算每種狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)平均值，分析接觸面積對(duì)接觸電阻的影響，結(jié)果如圖11所示。

表1 接觸面積對(duì)接觸電阻的影響測(cè)量結(jié)果

圖11 接觸面積對(duì)接觸電阻的影響數(shù)據(jù)分析

由圖11可知，當(dāng)導(dǎo)體接觸部彈簧觸指由1道變?yōu)? 道時(shí)，接觸電阻值從2.144 μΩ 降至1.312 μΩ，接觸電阻改善比較明顯；當(dāng)觸指增加至3 道時(shí)，接觸電阻降至0.819 μΩ，接觸電阻值的減小幅度稍微變緩。在同種接觸狀態(tài)（即導(dǎo)體間接觸壓力不變的情況）下，每道觸指導(dǎo)電斑點(diǎn)的面積基本相同，隨著彈簧觸指的數(shù)量增加，導(dǎo)體間視在接觸面積不斷增大，導(dǎo)電斑點(diǎn)會(huì)相應(yīng)增加。假設(shè)導(dǎo)體接觸內(nèi)表面有n個(gè)半徑為a的導(dǎo)電斑點(diǎn)，總收縮電阻為，忽略膜電阻的影響，理論結(jié)合實(shí)際測(cè)量表明，隨著導(dǎo)體接觸面的不斷變大，接觸電阻不斷減小，但減小幅度逐漸變緩，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

3.3 接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響

通過(guò)調(diào)整彈簧觸指的壓縮變形量來(lái)改變接觸壓力的大小，從而研究接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響。測(cè)量施加3 種不同彈簧觸指壓縮變形量的導(dǎo)體接觸電阻，彈簧觸指在3 種狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的接觸壓力及測(cè)量的接觸電阻值見(jiàn)表2。彈簧觸指壓縮量與接觸壓力的關(guān)系如圖12 所示，接觸壓力與接觸電阻的關(guān)系如圖13所示。

表2 接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響測(cè)量結(jié)果

圖12 彈簧觸指壓縮量與接觸壓力的關(guān)系

圖13 接觸壓力與接觸電阻的關(guān)系

對(duì)圖12、圖13 分析后可知，在彈簧觸指彈性形變范圍內(nèi)，隨著彈簧觸指壓縮量的不斷增大，導(dǎo)體接觸部的接觸壓力會(huì)快速增加，對(duì)應(yīng)接觸電阻前期下降非常明顯，然后趨于一種穩(wěn)定略有下降的趨勢(shì)，最終接觸電阻值趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在小接觸壓力下，接觸電阻具有很大的分散性，并符合一定的統(tǒng)計(jì)分布特性；在大接觸壓力下，膜產(chǎn)生的影響很小，如果忽略膜電阻，接觸電阻等于收縮電阻。因此，當(dāng)彈簧觸指壓縮量在合理的形變范圍內(nèi)，即在一定區(qū)間內(nèi)，接觸壓力的變化對(duì)接觸電阻的影響不大，不會(huì)引起接觸電阻產(chǎn)生較大的波動(dòng)。因此，在實(shí)際工程中，選取合適的接觸力至關(guān)重要。

4 結(jié)論

通過(guò)研究得到以下3個(gè)結(jié)論。

①導(dǎo)體接觸部的鍍銀層厚度對(duì)接觸電阻的影響非常大。尤其是，當(dāng)導(dǎo)體接觸部鍍銀層缺失時(shí)，其接觸電阻值是鍍銀層為8 μm 時(shí)接觸電阻值的5倍，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，嚴(yán)禁接觸部鍍銀層缺失的導(dǎo)體投入生產(chǎn)。當(dāng)鍍銀層增加至8 μm 以上時(shí)，其對(duì)母線(xiàn)接觸部接觸電阻產(chǎn)生的影響不斷減小。因此，在一定鍍銀層范圍內(nèi)，隨著鍍銀層厚度的增加，接觸電阻逐漸減小。

②接觸力一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整接觸部的視在接觸面積，能有效增加導(dǎo)體內(nèi)表面接觸部的導(dǎo)電斑點(diǎn)。隨著導(dǎo)電斑點(diǎn)的增加，收縮電阻及膜電阻不斷減小，總的接觸電阻也會(huì)不斷減小。因此，生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)產(chǎn)品溫升的需求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素來(lái)適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)體接觸部的接觸面積，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

③在彈性接觸階段，隨著接觸壓力的不斷變大，導(dǎo)體間的接觸更緊實(shí)，相應(yīng)的機(jī)械接觸斑點(diǎn)增加，導(dǎo)電斑點(diǎn)也相應(yīng)增大，導(dǎo)體間的實(shí)際接觸面積也必然增加，接觸電阻不斷減小。隨著彈簧觸指壓縮量的不斷增加，當(dāng)彈簧壓縮量增加至最大值時(shí)，接觸面積趨于穩(wěn)定，接觸壓力再增加也基本不對(duì)接觸電阻造成多少影響，接觸電阻趨于穩(wěn)定。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，GIS 接觸部接觸壓力的選取非常重要，過(guò)小會(huì)造成接觸電阻較大，甚至?xí)绊懺O(shè)備的安全運(yùn)行；過(guò)大會(huì)造成裝配困難、資源浪費(fèi)。