二氧化硫環(huán)境下斷路器接線端電接觸可靠性的研究

王麗麗，陸儉國(guó)，王景芹

（河北工業(yè)大學(xué)電器研究所，天津 300130）

二氧化硫環(huán)境下斷路器接線端電接觸可靠性的研究

王麗麗，陸儉國(guó)，王景芹

（河北工業(yè)大學(xué)電器研究所，天津 300130）

導(dǎo)致電連接發(fā)生電接觸故障的主要原因是大氣環(huán)境腐蝕．以斷路器的接線端為研究對(duì)象，在相同腐蝕時(shí)間不同二氧化硫濃度和相同二氧化硫濃度不同腐蝕時(shí)間的試驗(yàn)條件下，對(duì)機(jī)械栓接的接線端子進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)；通過(guò)研制的電接觸性能測(cè)試設(shè)備測(cè)量接線端子的接觸電阻，研究腐蝕環(huán)境中接線端子的電接觸可靠性．結(jié)果表明，使用螺栓連接的接線端的接觸電阻值隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)變化相對(duì)很小，只有初始值的5%，螺栓連接處仍保持低電阻，未引起接線端電接觸性能的變化．

接線端子；二氧化硫；加速腐蝕；接觸電阻；電接觸可靠性

0 引言

電連接是電力電子設(shè)備與系統(tǒng)中必不可少且大量存在的環(huán)節(jié)，而斷路器、接觸器等保護(hù)和控制類電器的接線端子是電連接中的重要組成部分．接線端連接屬于長(zhǎng)久性電連接，導(dǎo)致其發(fā)生電接觸故障的主要原因是大氣環(huán)境腐蝕，這類腐蝕主要是由空氣中的濕氣及污染物所引起，而污染物中主要的腐蝕成分之一為二氧化硫[1-2]．接線端長(zhǎng)期暴露在污染空氣中，在其接觸表面會(huì)形成導(dǎo)電性很差的腐蝕產(chǎn)物，影響其電接觸可靠性，從而嚴(yán)重影響其服役系統(tǒng)的可靠運(yùn)行．

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究連接器觸點(diǎn)在大氣腐蝕條件下的電接觸性能，及接觸件之間的微震磨損腐蝕和接觸面鍍層后形成的孔隙腐蝕對(duì)電接觸性能的影響[3-7]；文獻(xiàn)[8]研究對(duì)比了電力電纜的銅和鋁連接件在惡劣的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下接觸電阻的變化[8]．但是，對(duì)污染環(huán)境中螺栓連接的保護(hù)和控制類電器接線端電接觸可靠性的研究相對(duì)較少，文章以斷路器接線端為研究對(duì)象，研究其在二氧化硫環(huán)境下接線端的電接觸可靠性．

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)通常耗時(shí)很長(zhǎng)，所以研究用加速腐蝕實(shí)驗(yàn)來(lái)代替現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境試驗(yàn)．幾十年來(lái)，高濃度（大于10×10-6）的二氧化硫或硫化氫單一氣體的加速腐蝕一直被作為工業(yè)應(yīng)用的加速實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)．本文對(duì)斷路器接線端在體積濃度為18.25×10-6的二氧化硫環(huán)境下進(jìn)行短期加速腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量分析腐蝕過(guò)程中接線端接觸電阻的變化，研究二氧化硫環(huán)境下接線端的電接觸可靠性[9]．

1 試驗(yàn)試品

試驗(yàn)研究的接線端是按照額定電流100A的塑殼斷路器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計(jì)加工，且用于組裝接線端試品的每一塊銅導(dǎo)體都是由某廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)可用的．

1.1 試品的設(shè)計(jì)

研究通過(guò)測(cè)量接線端子在二氧化硫腐蝕環(huán)境中接觸電阻的變化，來(lái)衡量接線端子的電接觸性能，與斷路器的觸頭和動(dòng)作機(jī)構(gòu)無(wú)關(guān)，故將試驗(yàn)的斷路器接線端設(shè)計(jì)為長(zhǎng)150mm、寬16mm、厚3mm的導(dǎo)電銅板．同時(shí)，設(shè)計(jì)了測(cè)試連接片作為斷路器接線端的外電路連接部分，測(cè)試連接片寬16 mm、厚3mm，分為U型和長(zhǎng)方形，便于試驗(yàn)時(shí)所有接線端子串聯(lián)連接．試驗(yàn)中考慮到測(cè)量的方便和準(zhǔn)確性，在每塊導(dǎo)電銅板和測(cè)試連接片距離接線端子固定距離處設(shè)計(jì)了檢測(cè)孔，用于連接接觸電阻檢測(cè)信號(hào)線．

1.2 試品的組裝

根據(jù)生產(chǎn)廠家的推薦規(guī)范對(duì)接線端進(jìn)行安裝，斷路器接線端子與外電路通過(guò)廠家提供的機(jī)械螺栓連接，手工裝配成圖1形式．圖1中的6組試驗(yàn)接線端由3塊導(dǎo)電銅板和4塊測(cè)試連接片組成，編號(hào)A1、A2、B1、B2、C1、C2為接線端的固定孔，用于機(jī)械螺栓固定導(dǎo)電銅板與測(cè)試連接片，并利用扭矩扳手使接線端螺栓的扭力達(dá)到10N m，模擬斷路器實(shí)際工作時(shí)的接線端螺栓連接狀態(tài)；編號(hào)1～9為接線孔，用于連接接線端接觸電阻的檢測(cè)信號(hào)線，試驗(yàn)之前所有檢測(cè)信號(hào)線連接完畢．

為了保證試驗(yàn)的接線端接觸電阻的數(shù)據(jù)規(guī)律具有重復(fù)性，每個(gè)二氧化硫濃度對(duì)12組接線端子進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)12組接線端子串聯(lián)連接．

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為兩個(gè)部分．第1部分試驗(yàn)，以1×10-6二氧化硫體積濃度為基準(zhǔn)，5組獨(dú)立的12個(gè)接線端和8塊標(biāo)準(zhǔn)銅片分別在基準(zhǔn)體積濃度1倍、2倍、4倍、8倍和16倍的規(guī)定環(huán)境中連續(xù)進(jìn)行72h試驗(yàn)，通過(guò)分析接線端接觸電阻的變化和觀察標(biāo)準(zhǔn)銅片的表面腐蝕情況，驗(yàn)證二氧化硫體積濃度在8×10-6以上時(shí)，能否對(duì)試驗(yàn)端子產(chǎn)生腐蝕．第2部分試驗(yàn)，以二氧化硫濃度為加速因子對(duì)接線端進(jìn)行電接觸性能惡化的加速試驗(yàn)，以上海地區(qū)二氧化硫體積濃度0.05×10-6為基準(zhǔn)，對(duì)12個(gè)接線端和若干標(biāo)準(zhǔn)銅片在二氧化硫濃度為18.25 ×10-6的環(huán)境中連續(xù)進(jìn)行240h試驗(yàn)，用于等效接線端在自然環(huán)境中正常工作10年電接觸性能的變化．試驗(yàn)期間，每隔22 h測(cè)量一次接線端子的接觸電阻，并取出兩塊標(biāo)準(zhǔn)銅片，觀察銅片表面的腐蝕情況．

2.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程接觸點(diǎn)和連接件的二氧化硫試驗(yàn)導(dǎo)則》，試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度小于70%時(shí)幾乎不發(fā)生腐蝕，相對(duì)濕度超過(guò)80%時(shí)腐蝕產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)顯著改變；溫度高于30℃時(shí)，有改變自然腐蝕機(jī)理的傾向，溫度較低時(shí)，又導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以本試驗(yàn)條件相對(duì)濕度取75%，溫度取25±2℃．同時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，二氧化硫體積濃度超過(guò)25 ×10-6會(huì)改變接線端的腐蝕機(jī)理，故將進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)的二氧化硫濃度定為18.25×10-6是合理的[10]．

圖1 接線端試品裝配示意圖Fig.1 The installation diagram of terminalsam ple

2.3直流電阻測(cè)量

試驗(yàn)測(cè)量的接觸電阻值是從檢測(cè)孔到接線端子本體，每個(gè)電阻值測(cè)量3次求其平均值，以消除隨機(jī)干擾；所有接線端子的接觸電阻都是在室溫24℃下，通過(guò)研制的電接觸性能測(cè)試設(shè)備測(cè)量．由于電阻值是在同一溫度下測(cè)量，所以分析腐蝕結(jié)果時(shí)沒(méi)有對(duì)測(cè)量的接觸電阻值進(jìn)行任何校正．

接觸電阻測(cè)量裝置采用工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)控制，可自動(dòng)完成12個(gè)接線端接觸電阻的測(cè)量．測(cè)量裝置采用恒流源提供恒定、高精度的10 A測(cè)量電流，12個(gè)接線端串聯(lián)接在回路中，同時(shí)在回路中串接可通信6位半數(shù)字電流表用于監(jiān)測(cè)和校對(duì)試驗(yàn)回路電流，在接線端兩端并聯(lián)可通信6位半數(shù)字電壓表用于精確測(cè)量接線端接觸壓降．?dāng)嗦菲鞯拿總€(gè)接線端分別引出兩根導(dǎo)線通過(guò)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)接于可通信的數(shù)字電壓表的輸入端，工控機(jī)通過(guò)數(shù)字I/O擴(kuò)展卡控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通，進(jìn)而控制小型繼電器的通斷去切換接線端的檢測(cè)通道，順序測(cè)量每個(gè)通道的接觸壓降．裝置通過(guò)自動(dòng)記錄同一時(shí)刻通過(guò)接線端的電流值和其兩端的電壓降，利用歐姆定理計(jì)算接線端接觸電阻值，測(cè)量的接觸電阻值可精確到0.001．

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

1倍、2倍、4倍、8倍、16倍二氧化硫基準(zhǔn)體積濃度試驗(yàn)條件下，分別連續(xù)試驗(yàn)72 h后，利用體視顯微鏡觀察標(biāo)準(zhǔn)銅片表面的腐蝕情況．可以發(fā)現(xiàn)，1倍、2倍、4倍基準(zhǔn)體積濃度試驗(yàn)結(jié)束后的銅片表面未見(jiàn)明顯腐蝕痕跡；當(dāng)二氧化硫濃度增加到8倍和16倍基準(zhǔn)體積濃度時(shí)，銅片表面清楚地觀測(cè)到少量腐蝕產(chǎn)物，且呈點(diǎn)狀分布．

對(duì)不同二氧化硫濃度試驗(yàn)條件下測(cè)量的接線端接觸電阻值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示．表1顯示了不同二氧化硫濃度下試驗(yàn)72 h后，兩組接線端接觸電阻值相對(duì)于初始值的變化，在1倍、2倍、4倍基準(zhǔn)體積濃度時(shí)，接觸電阻相對(duì)于初始值減小了0.35%左右，這是由于試驗(yàn)是在潮濕的環(huán)境下進(jìn)行的，接線端接觸面會(huì)凝結(jié)一層連續(xù)的水膜，銅的腐蝕產(chǎn)物將水膜變成電解質(zhì)溶液，增強(qiáng)了水膜的導(dǎo)電性，使測(cè)量的接觸電阻值變小．當(dāng)二氧化硫體積濃度為8×10-6的試驗(yàn)結(jié)束后，接觸電阻值相對(duì)于初始值減小了0.25%左右，在16 ×10-6試驗(yàn)結(jié)束后，接線端的接觸電阻值相對(duì)于初始值增大了0.75%左右．

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在二氧化硫濃度為基準(zhǔn)體積濃度的1倍、2倍和4倍時(shí)，對(duì)完全暴露在腐蝕氣體中的標(biāo)準(zhǔn)銅片不足以產(chǎn)生腐蝕，則對(duì)封閉的接線端更不足以產(chǎn)生腐蝕；當(dāng)二氧化硫濃度為8倍和16倍基準(zhǔn)體積濃度時(shí)，銅片開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕且接線端接觸電阻值開(kāi)始相對(duì)增加[11]．

二氧化硫體積濃度為16×10-6的加速腐蝕試驗(yàn)說(shuō)明選定的18.25×10-6的二氧化硫試驗(yàn)濃度足以對(duì)接線端子產(chǎn)生合理的加速腐蝕作用．?dāng)嗦菲鹘泳€端子暴露在試驗(yàn)氣體中，被引起的腐蝕和接線端電接觸性能的下降隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而加劇，雖然不成正比關(guān)系，但可以由延長(zhǎng)暴露時(shí)間得到接線端電接觸性能的變化．

3.2 加速腐蝕試驗(yàn)

18.25 ×10-6二氧化硫體積濃度試驗(yàn)條件下，標(biāo)準(zhǔn)銅片在不同試驗(yàn)時(shí)間時(shí)的金相圖如圖2所示．由圖2可以看出，試驗(yàn)初期，銅片表面可以看到明顯腐蝕，如圖2a）所示，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)腐蝕產(chǎn)物不斷增加，腐蝕由最初的分散點(diǎn)狀，逐步形成圖2b）所示的片狀，最后銅片表面被大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，如圖2c）所示．

表1 不同SO2濃度相同腐蝕時(shí)間接線端接觸電阻值的變化Tab.1 The changeof valueof contactresistanceunder the different concentrationsof SO2w ith thesame corrosion time

二氧化硫體積濃度為18.25×10-6的試驗(yàn)環(huán)境中，每隔22 h檢測(cè)第2個(gè)接線端接觸電阻值（單位：）：34.663 1，34.785 9，35.078 2，35.010 3，35.122 3，35.066 4，35.268 3，35.164 1，35.202 5，35.248 2，35.2082，35.7413．對(duì)上述不同試驗(yàn)時(shí)間接線端的接觸電阻值進(jìn)行4次多項(xiàng)式擬合，所得的擬合曲線如圖3所示．圖中接觸電阻值減小趨于平緩部分是由于試驗(yàn)是在潮濕的環(huán)境下進(jìn)行的，接線端接觸面會(huì)凝結(jié)一層連續(xù)的水膜，銅的腐蝕產(chǎn)物將水膜變成電解質(zhì)溶液，增強(qiáng)水膜的導(dǎo)電性，使測(cè)量的接觸電阻值變小，這與驗(yàn)證試驗(yàn)中接線端接觸電阻值相對(duì)減小過(guò)程完全吻合．但是，從擬合曲線來(lái)看，接觸電阻的阻值總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，只是阻值增大相對(duì)很小，只有初始值的5%，不會(huì)影響接線端的電接觸性能．對(duì)其他11組接線端的接觸電阻值進(jìn)行上述分析，結(jié)果基本相同．

圖2 18.25×10-6二氧化硫濃度不同試驗(yàn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)銅片表面的金相圖Fig.2 Themetallographic figuresofstandard copper piecesurface in differenttest timew ith 18.25×10-6concentrationsof SO2

圖3 接線端接觸電阻隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線Fig.3 The change curveof resistance valuew ith test time

4 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在加速腐蝕試驗(yàn)中，使用螺栓連接的斷路器接線端的接觸電阻值隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)變化相對(duì)很小，只有初始值的5%．這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)加速腐蝕試驗(yàn)后的接線端仍保持低電阻，未引起接線端電接觸性能的變化．因此，在不考慮一些因素，如熱循環(huán)、連接處的應(yīng)力松弛和其它環(huán)境因素的情況下，本文研究的接線端子在二氧化硫濃度（如：0.05×10-6）和保護(hù)類電器一般規(guī)定的使用期限（如：十年）下，使用合適的螺栓連接，其接線端的接觸電阻值在使用接收范圍之內(nèi)，斷路器可正常工作．

[1]許軍，李坤．電接觸的接觸電阻研究[J]．電工材料，2011，39（1）：10-13．

[2]陳巍，鄭冀．電接觸材料腐蝕機(jī)制研究進(jìn)展[J]．電工材料，2010，38（3）：3-8．

[3]Kang Yong Lee，Dae Ki Jeong，Jae Hyung Kim．Simulational study of electrical contact degradation under fretting corrosion[J]．Tribology International，2011，44（12）：1651-1658．

[4]Liskiew icz T，Neville A，Achanta S．Im pact of corrosion on fretting damage of electrical contacts[C]//Proceedings of the 52nd IEEE Holm Conferenceon ElectricalContacts，2007：257-262．

[5]李雪清，章繼高．鍍金表面微孔腐蝕的電接觸特點(diǎn)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（9）：51-56．

[6]任萬(wàn)濱，王鵬，馬曉明，等．微動(dòng)誘發(fā)的觸點(diǎn)電接觸間歇失效現(xiàn)象研究[J]．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（4）：382-387．

[7]Sun Amy C，MoffatHenry K，EnosDavidG，etal．Pore corrosionmodel forgold-plated copper contacts[J]．Instituteof Electricaland Electronics Engineers Inc，2007，30（4）：796-804．

[8]Ronald F Frank，Christopher PM orton．Comparative corrosion and currentburst testing of copper and alum inum electrical power connectors[J]．Transactionson Industry Application，2007，43（2）：462-468．

[9]Gore RandyW itska，Rich Kirby，JRay，etal．Corrosive gasenvironment testing for electrical contacts[C]//Proceedingsof the 35th Meeting of the IEEEHolm Conferenceon Electrical Contacts，1989：123-131．

[10]GB 2424.11-1982，電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程接觸點(diǎn)和連接件的二氧化硫試驗(yàn)導(dǎo)則[S]．

[11]嚴(yán)川偉，何毓番，林海潮，等．銅在含SO2大氣中的腐蝕初期規(guī)律和機(jī)理[J]．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2000，10（5）：645-648．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Research on reliability ofelectrical contact for circuitbreaker terminals in theenvironmentcontaining SO2

WANG Li-li，LU Jian-guo，WANG Jing-qin

(ElectricalApparatus Institute,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Environmentalcorrosion isoneof themajorcausesofelectricalcontact failureof term inals.Reliability ofelectricalcontact formechanically bolted terminals is researched by conducting accelerated corrosion testunder the different conditions,which the same corrosion time corresponding to different concentrations of SO2and the same concentration of SO2at the differentcorrosion time.The circuit breaker term inal isas the research object in the paper,and the contact resistanceof term inals ismeasured to study the reliability of electricalcontactduring research by developed testing device of electricalcontactperformance.The resultshows that thevalueofcontact resistanceofbolted term inalsare changed by only 5%in the accelerated corrosion test,and the jointsmaintain low resistance and could notaffect the performance of the term inals.

terminals；sulfur dioxide；accelerated corrosion；contact resistance；reliability of electrical contact

TM 561

A

1007-2373(2014)01-0004-04

2013-06-14

河北省杰出青年科學(xué)基金（E2009001584）

王麗麗（1986-），女（漢族），博士生．通訊作者：陸儉國(guó)（1936-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．