連續通電條件下觸點接觸電阻劣化的初步分析

張 超，任萬濱

（哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001）

引言

觸點材料廣泛應用于各類接觸器、斷路器、繼電器、照明開關、故障電流開關及輔助開關中，其工作電流從幾安培至幾千安培不等，不同工業需求使觸點材料的成分、制備工藝與尺寸結構各異[1]。觸點在電器開關內完成導通、分斷電流功能，因此其電接觸性能已成為影響電氣與電子工程可靠性的關鍵。工程應用中通常期望電接觸部位對電氣回路電流的阻礙作用為零，即接觸電阻為零。然而大量研究表明，電器接觸部位的電阻或多或少地存在，接觸電阻過高，會使觸點表面產生溫升，從而可能導致觸頭產生永久變形，甚至發生熔焊現象；而且由于觸點上電壓損失過高，會使低電平的邏輯控制電路邏輯混亂，影響電器工作可靠性，從而降低了電器的使用壽命。

當前，電器開關逐漸向“小型化、低功耗、長壽命、高可靠”等方向發展，因此對于觸點材料的關注主要集中在接觸電阻、接觸溫升、熔焊強度、電弧燒蝕率和磨損率等相關參數[2-5]。考慮到電接觸應用的特殊性，因此對觸點材料關注的側重點也存在一定差異。如光伏發電系統應用的大功率繼電器，雖然觸點分斷閉合的周期為每天一次，但觸點的工況具有長時間連續通電的特點。且隨著服役時間的增加，繼電器會出現接觸電阻逐漸增大超出閾值的失效案例。

本研究針對觸點連續通電條件下的接觸電阻失效問題，研究了接觸壓力、通電時間、電流對接觸電阻的影響，為進一步確定觸點材料電接觸性能的劣化機理提出了探索思路。

1 試驗方法

觸點連續通電試驗系統的機械裝置如圖1所示，裝置主要由底座、兩個水平移動滑臺、兩個壓力傳感器和觸點夾具組成。通過調節水平滑臺可以改變觸點對間的相對位移。借助動觸點觸橋和動觸點支架之間的彈簧可以實現觸點接觸壓力的柔性加載。其中的水平移動滑臺行程為6.5 mm，分辨率為10 μm。

圖1 觸點連續通電試驗系統的機械裝置

選用粉末冶金工藝制造銀鎳鉚釘觸點，其中銀含量90%，鎳含量10%，幾何尺寸如圖2所示。試驗前，將平面觸點和弧面觸點分別鉚接至靜簧片和觸橋上，然后置于超聲波清洗機中，分別用高純度酒精和蒸餾水清洗5 min以去除觸點表面的污染物。試驗溫度：25℃，濕度：30%，連續電流：AC 90 A、150 A，觸點初始接觸壓力為1.2 N。

圖2 觸點幾何尺寸（單位：mm）

2 試驗結果與分析

2.1 接觸電阻與壓力的關系

在進行連續通電試驗前，應用CRS-4000型觸點材料接觸電阻自動測試分析系統測得的接觸電阻隨著接觸壓力的變化如圖3所示。設置的開路電壓為6 V，測試電流為10 mA。

圖3 壓力加載和卸載條件下接觸電阻的變化

由圖3可見，接觸電阻隨著壓力的增加從4.04 mΩ非線性地下降到0.34 mΩ，在壓力卸載過程中增加到2.84 mΩ，且卸載過程中接觸電阻始終低于加載過程的，這種現象與很多國內外學者得到的結果相似，稱為滯回現象[6-8]。Timsit指出隨著接觸壓力的增加，微觀表面凸丘體由于發生塑性變形導致導電斑點個數增加，因此所產生的收縮電阻將具有減小的趨勢。同時，發生塑性變形的微觀材料逐漸硬化使得微觀接觸表面面積增加趨于飽和狀態。卸載過程中的局部塑性變形無法恢復是導致接觸電阻存在滯后現象的根本原因。

通過對加載過程中的接觸電阻Rc和接觸壓力F進行曲線擬合，發現兩者滿足冪函數Rc=KF-mc的關系，且根據擬合指數m可以將整個加載過程分為3個明顯的階段。階段I：指數m=0.68，對應的接觸壓力范圍0.018 3 N≤Fc≤0.072 7 N；階段II：指數m=0.31，此時接觸壓力0.083 4 N≤Fc≤0.331 N；階段III：指數m=0.43，接觸壓力0.339 5 N≤Fc≤2.49 N。同時，接觸電阻隨著接觸壓力變化的指數m代表的接觸電阻成分與表面變形狀態的含義如表1所示[9]。

表1 接觸電阻隨接觸壓力變化的指數m代表的含義

階段I的指數m=0.68介于彈性和塑性的表面膜電阻之間，指數m在階段II和階段III為0.31和0.43分別對應于彈性和塑性變形的收縮電阻。同時可以看出對于放置在空氣中的銀鎳觸點，破壞其表面膜的最小接觸壓力Fmin約為0.07 N。

2.2 連續通電條件下的試驗結果

觸點在常溫常濕、左右兩觸點壓力均為1.2 N、連續通交流90 A電流12 h，圖4所示為總接觸電阻、左接觸壓力和通電電流隨著通電時間的變化。在整個試驗過程中，通電電流基本穩定在90 A，觸點壓力首先從1.254 N快速下降然后維持穩定，之后又下降至0.886 N，且左右兩觸點的壓力下降趨勢基本相同。總接觸電阻在通電6 min內從2.603 mΩ快速下降到0.957 mΩ，在隨后的16 min內，又從0.957 mΩ下降到0.91 mΩ，最終穩定在0.887 mΩ。

圖4 接觸電阻和接觸壓力隨通電時間的變化

在觸點表面施加90 A電流的初始時刻，左觸點對間的接觸壓降為133.72 mV，考慮到試驗過程中環境溫度為25℃（298.15 K），可得導電斑點a處的溫度約為251.4℃。考慮到銀的軟化電壓為0.09 V，軟化溫度為180℃，鎳的軟化電壓為0.16 V，軟化溫度為520℃，所以在通電起始階段觸點中的銀首先開始發生軟化，在接觸壓力的作用下，接觸斑點a的面積擴大，接觸面積的增加將導致收縮電阻減小，電接觸過程如圖5所示。

圖5 接觸情況示意圖

同時，由于銀鎳觸點在空氣中放置時會被氧化從而在表面生成一層AgO薄膜，而AgO在被加熱到250℃時開始分解，到300℃以上時迅速分解，具體分解過程如表2所示。這使得觸點表面的AgO薄膜開始分解生成Ag2O和Ag單質，從而使表面膜電阻減小。在通電起始階段接觸電阻的減小是由于收縮電阻和表面膜電阻的共同減小導致的。

表2 AgO、Ag2O和Ag的含量隨加熱溫度的變化［10］

由于接觸斑點發生了軟化并被擠壓變形，其形變量將會減小，這是導致接觸壓力不斷減小的主要原因。同時接觸電阻在壓力減小的情況下持續降低，表明在大電流條件下，接觸面積是決定接觸電阻的主要因素，此時接觸壓力對接觸電阻的影響可以忽略。隨著通電時間的進一步增加，接觸面積趨于恒定，所以接觸電阻基本保持穩定。需要注意的是，在整個12 h的通電過程中，接觸電阻一直減小，這表明觸點表面膜的生長并不是在連續通電的過程中完成的，相反，在這種情況下觸點表面氧化膜的生長受到了抑制作用，而且可以推斷出通電時間越長，電流越大，接觸壓力越大，抑制效果會更加顯著。

考慮到電器觸點分斷電弧的侵蝕作用，本研究設計的試驗過程如下：首先將觸點閉合后通交流強電持續5 min，然后將觸點帶電分開，斷電后保持常開狀態靜置5 min，再以10 mA電流測試接觸電阻，如此重復10次后獲得的接觸電阻如圖6所示。可見，90 A條件下接觸電阻從1.26 mΩ增長到1.5 mΩ，150 A條件下接觸電阻從1.3 mΩ增長到1.8 mΩ。同時也應看到接觸電阻的增長具有明顯波動性。

圖6 接觸電阻與試驗次數的關系

通過將各次接觸電阻與初始值作比，可以得到歸一化接觸電阻(Rt/R0)隨著試驗次數N的變化情況，如圖7所示。150 A和90 A條件下歸一化接觸電阻(Rt/R0)與試驗次數N的擬合線性關系分別為Rt/R0=0.031 N+1.06和Rt/R0=0.025 N+1.01。且150 A條件下歸一化接觸電阻(Rt/R0)的增長速率k150A=0.031大于90 A條件下的k90A=0.025。這說明通電電流對接觸電阻的劣化有一定的影響，且電流越大，接觸電阻的劣化情況越嚴重。這主要是由于通電電流越大，分斷時產生的電弧也越大，對觸點表面的燒蝕也將更加嚴重，進而使接觸電阻劣化增大。

圖7 接觸電阻歸一值與試驗次數的關系

4 結論

在觸點連續通電條件下，接觸電阻有減小趨勢，但幅值很低，不會直接導致電接觸失效。而電弧作用后的觸點在連續通電條件下可使接觸電阻增大、波動趨勢明顯，且電弧電流的增加對這一現象影響更加顯著。