低熔點(diǎn)合金界面填充材料減小電連接接觸電阻的研究

劉雪揚(yáng)，孫連嬌，曹先洪

(云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 651701)

在輸配電系統(tǒng)中存在許多連接點(diǎn)，如耐張線夾、引流板、接續(xù)管、穿刺線夾、載流連接板等。這些連接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象造成電能損失，同時(shí)還要定期進(jìn)行巡視，不僅投入大量的人力、物力使輸配電成本大大提高，而且發(fā)熱點(diǎn)一旦溫度過高，會(huì)發(fā)生故障，甚至導(dǎo)致大面積停電[1-3]。

電連接點(diǎn)發(fā)熱主要因?yàn)榻佑|電阻較大，因此要減小接觸電阻，這就需要了解接觸電阻跟哪些因素有關(guān)，如何控制這些因素來減小接觸電阻，但是通過試驗(yàn)進(jìn)行研究，時(shí)間和成本巨大，因此需要借助仿真進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]研究圓柱形銅排間不同扭矩與接觸面積間的關(guān)系，并進(jìn)行接觸電阻的仿真分析；文獻(xiàn)[5]基于有限元理論，分別在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下對(duì)母線板溫度、電流密度分布規(guī)律等進(jìn)行分析，但并沒有用試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的可靠性；文獻(xiàn)[6]針對(duì)一起35 kV的電流互感器載流連接板的發(fā)熱故障進(jìn)行仿真分析，但沒有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文根據(jù)電接觸理論，首先分析了接觸電阻的計(jì)算模型，并采用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行電-熱-流耦合分析[7]，給出了電連接在加載電流時(shí)的溫升情況；然后研究不同材料、不同接觸面壓力以及不同表面粗糙度對(duì)電連接溫升的影響；最后提出一種以低熔點(diǎn)合金作為填充材料的電連接方法，并對(duì)電連接進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

1 電連接接觸電阻模型

電連接發(fā)熱是由于存在接觸電阻而導(dǎo)致的。接觸電阻的本質(zhì)是導(dǎo)體接觸部位存在1個(gè)電阻，使流過導(dǎo)體電接觸處出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象。接觸電阻的形成過程較為復(fù)雜，導(dǎo)體接觸界面如圖1所示，導(dǎo)體a與導(dǎo)體b接觸，當(dāng)接觸面較為理想時(shí)，流過導(dǎo)體接觸面的電流線保持平行，不會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象，不存在接觸電阻；但是即使導(dǎo)體表面經(jīng)過精細(xì)加工，從微觀上看也是凹凸不平的。

導(dǎo)體電阻 接觸電阻接觸面圖1 導(dǎo)體電阻與接觸面接觸狀況

由電接觸理論可知[8-9]，當(dāng)兩導(dǎo)體發(fā)生接觸時(shí)，由于導(dǎo)體表面凹凸不平，部分導(dǎo)體表面沒有接觸，則電流無法通過這些沒有接觸的地方，只能通過接觸表面的若干導(dǎo)電斑點(diǎn)流經(jīng)接觸表面。當(dāng)電流通過導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)，接觸面發(fā)生改變，有效導(dǎo)電面積減小，電流線產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，電流流經(jīng)路徑變長(zhǎng)，產(chǎn)生收縮電阻。當(dāng)兩接觸導(dǎo)體的材料相同，電阻率為ρ，導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑為r，1個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的收縮電阻為Rs=ρ/2r。

J.A.Greenwood研究表明，當(dāng)接觸面導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)量為n時(shí)，總收縮電阻為

(1)

式中：ri、rj為接觸面不同導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑(i≠j)；dij為導(dǎo)電斑點(diǎn)之間的距離。

電接觸表面由于金屬氧化物、灰塵、污物或夾在接觸面間的油、水膜等原因覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的物質(zhì)，通常電接觸表面氧化膜居多。大多數(shù)氧化膜是半導(dǎo)體，電阻率較高，這就增加了接觸電阻阻值。膜層電阻為

(2)

式中：ρf為膜層電阻率；δc為膜層厚度。

由于收縮電阻和膜層電阻在電路上串聯(lián)，因此接觸元件表面的接觸電阻為收縮電阻和膜層電阻的和，即Rc=Rh+Rf。電連接中接觸電阻的增大將直接表現(xiàn)為電連接溫度升高，因此本文用最終的溫升來表征接觸電阻對(duì)電連接的影響。

2 電連接溫升的影響因素

電連接中的接觸電阻影響因素有很多，包括接觸形式、接觸壓力、接觸表面的粗糙度、溫度以及材料的性質(zhì)等。本文建立螺栓連接的三維模型，如圖2所示，采用COMSOL Multiphysics軟件的電-熱-流耦合物理場(chǎng)進(jìn)行分析，即電流、固體傳熱、層流3個(gè)物理場(chǎng)的耦合仿真，研究材料、接觸壓力、表面粗糙度3個(gè)方面對(duì)電連接的影響情況。

圖2 螺栓連接的三維模型

2.1 材料對(duì)電連接溫升的影響

電連接中的連接材料主要為銅和鋁，輸配電系統(tǒng)中普遍存在銅-銅、銅-鋁、鋁-鋁的連接。在接觸壓力、表面粗糙度和連接尺寸都相同的情況下，采用參數(shù)掃描的仿真方法在電連接的兩端加載直流電流，3種不同材料電連接的溫升結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種不同材料電連接溫升

由圖3可以看出，3種電連接溫升都呈指數(shù)形式上升。加載電流為400 A時(shí)，銅和銅電連接溫升為51 K，鋁和鋁電連接的溫升為80.43 K，銅和鋁電連接的溫升介于兩者之間。由于鋁的導(dǎo)電率比銅的要低，其連接后的溫升較高。在實(shí)際使用中，銅和鋁的電連接還會(huì)被外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，會(huì)進(jìn)一步增加銅鋁電連接的接觸電阻，因此銅鋁電連接的溫升會(huì)加大。

2.2 接觸壓力對(duì)電連接溫升的影響

接觸壓力對(duì)銅和銅電連接溫升的影響結(jié)果如圖4所示。接觸壓力小于0.5 kPa，對(duì)溫升的影響已經(jīng)很小；接觸壓力大于0.5 kPa，溫升值逐漸下降。

圖4 接觸壓力對(duì)電連接溫升的影響

由仿真結(jié)果可以看出，電連接的收縮電阻和膜層電阻受到接觸壓力的影響較大，壓力與接觸電阻之間的關(guān)系為

Rc=C/Fm

(3)

式中：F為接觸壓力；C為比例系數(shù)；m為指數(shù)。C和m由連接結(jié)構(gòu)、表面涂層等決定。

接觸壓力增加導(dǎo)致接觸位置的有效接觸面積增大，導(dǎo)電斑點(diǎn)的數(shù)量增多，從而減小收縮電阻Rh。當(dāng)接觸壓力增加到一定程度后，接觸部位產(chǎn)生塑性變形，接觸表面膜被壓碎，原來未接觸的部分也因壓力的作用產(chǎn)生接觸，增加了接觸面積，這就使收縮電阻Rh因膜層電阻Rf的減小而下降，致使電連接的接觸電阻Rc將減小。考慮到電連接的應(yīng)用場(chǎng)合以及連接方式，接觸壓力不可能無限增加，應(yīng)該給電連接施加一個(gè)合適的接觸壓力。

2.3 粗糙度對(duì)電接觸溫升的影響

本文的表面粗糙度采用微觀不平度十點(diǎn)高度RZ來表示，在其他仿真條件設(shè)置相同的情況下，分析表面粗糙度對(duì)電連接溫升的影響，如圖5所示。在相同接觸壓力情況下，表面粗糙度RZ越小，電連接的溫升越低，當(dāng)表面粗糙度RZ增加到8 μm后，其電連接的溫升增加量逐漸減少，說明當(dāng)表面粗糙度增加到一定程度后，影響很小。

圖5 表面粗糙度對(duì)電連接溫升的影響

電連接接觸表面的粗糙度不同，導(dǎo)電斑點(diǎn)的數(shù)量就有區(qū)別，直接影響了接觸電阻的大小。粗加工、精加工、電化學(xué)拋光等不同的加工形式直接影響導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)量n的多少，并最終影響接觸電阻的大小。因此在輸配電系統(tǒng)中關(guān)鍵部位的電連接，應(yīng)該提高接觸表面的粗糙度，降低接觸電阻，從而減少發(fā)熱量。

3 采用低熔點(diǎn)合金減小電連接接觸電阻的方法

基于以上仿真分析，本文提出一種以低熔點(diǎn)合金作為填充材料的電連接方法來減小電連接的接觸電阻。減小電連接的接觸電阻需要增加接觸面積，這就需要低熔點(diǎn)合金在電連接材料的表面具有良好的潤(rùn)濕性能，因此首先選出潤(rùn)濕性能較好的低熔點(diǎn)合金材料。

3.1 低熔點(diǎn)合金的潤(rùn)濕性分析

本文選擇4種不同成分的低熔點(diǎn)合金進(jìn)行潤(rùn)濕性分析[10]，低熔點(diǎn)合金分別為Sn-0.7Cu-Zn、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu-Zn-Bi和Sn-0.75Cu。界面材料的潤(rùn)濕性以其在基材表面的鋪展面積表征，基材為20 mm×20 mm×0.8 mm的T2紫銅板。將0.2 g的球狀低熔點(diǎn)合金，放置于涂覆有活性連接劑的銅基板中央，并將其放在260 ℃的回流焊機(jī)中進(jìn)行熔化潤(rùn)濕，潤(rùn)濕試驗(yàn)的部分結(jié)果如圖6所示(從左到右依次為Sn-0.7Cu-Zn、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu-Zn-Bi和Sn-0.75Cu)。

圖6 潤(rùn)濕試驗(yàn)的部分結(jié)果

采用Image Pro Plus圖像處理軟件測(cè)量低熔點(diǎn)合金的潤(rùn)濕鋪展面積，每種低熔點(diǎn)合金重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果如圖7所示。在4種低熔點(diǎn)合金中，Sn-3.5Ag合金在銅基板上的鋪展面積最大，達(dá)到了52.56 mm2，說明該低熔點(diǎn)合金用于銅為基材的電連接中可以有效填充電連接之間的縫隙，因此選擇Sn-3.5Ag作為電連接的填充材料。

圖7 低熔點(diǎn)合金在銅基板上的鋪展面積

3.2 低熔點(diǎn)合金填充電連接的接觸電阻測(cè)試

電連接接觸電阻的測(cè)試試樣為20 mm×2 mm×100 mm的銅母排連接，分別制作了無填充、電力復(fù)合脂填充和低熔點(diǎn)合金填充的銅母排連接，如圖8所示。接觸電阻的測(cè)試儀器為保定金源科技有限公司生產(chǎn)的JYL回路電阻測(cè)試儀，測(cè)試電流為100 A，測(cè)試時(shí)間為30 s，測(cè)試線夾均夾在距離銅母排連接中心40 mm處，進(jìn)行3次測(cè)試取其平均值。

圖8 不同連接方法的銅母排連接

3種不同填充形式銅母排連接的接觸電阻(5個(gè)試樣的平均值)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 接觸電阻測(cè)試結(jié)果 單位：μΩ

由表1可以看出，低熔點(diǎn)合金填充的銅母排連接接觸電阻最小，相比于無填充和電力復(fù)合脂填充的連接方法，其接觸電阻分別減小18.5%和12.6%，低熔點(diǎn)合金填充的銅母排連接的接觸電阻僅略大于等效長(zhǎng)度的銅材電阻。

圖9為采用ERESCO MF4便攜式X光機(jī)進(jìn)行的內(nèi)部探傷測(cè)試結(jié)果，從上到下為無填充連接、電力復(fù)合脂連接和低熔點(diǎn)合金連接。

圖9 內(nèi)部探傷結(jié)果

由圖9可以看出，低熔點(diǎn)合金連接的接觸面積要大于前2種連接，且接觸面被低熔點(diǎn)合金密封，能夠避免外界空氣、液體進(jìn)入導(dǎo)致腐蝕。而且無填充連接接觸面間的介質(zhì)為空氣與電力復(fù)合脂均不導(dǎo)電，低熔點(diǎn)合金的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能都較前2種較好，減小接觸電阻的同時(shí)，更提高了連接的可靠性。

3.3 低熔點(diǎn)合金填充電連接的溫升試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，本文搭建了SLQ-2000A升流試驗(yàn)平臺(tái)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，大電流試驗(yàn)系統(tǒng)包括380 V交流電源、調(diào)壓器、升流器、電流互感器、儀表、熱電偶、上位機(jī)等部分。電連接的溫度測(cè)試采用K型熱電偶，溫度測(cè)試儀為優(yōu)利德UT325溫度測(cè)試儀。

圖10 SLQ-2000A升流試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫升試驗(yàn)參考GB/T 2317.3—2008《電力金具試驗(yàn)方法 第3部分：熱循環(huán)試驗(yàn)》。溫升試驗(yàn)過程中，需要保持30 min，且溫度在15 min內(nèi)無明顯變化后讀取溫度值。銅母排電連接的溫升試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 溫升試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，低熔點(diǎn)合金填充電連接的溫升值低于無填充和電力復(fù)合脂填充的溫升值，說明本文提出的方法能夠減少電連接的發(fā)熱量。

4 結(jié)論

a.通過COMSOL Multiphysics軟件的物理場(chǎng)耦合仿真分析，電連接的接觸電阻受到材料電導(dǎo)率等性質(zhì)的影響，電導(dǎo)率越高，接觸電阻越小；一定范圍內(nèi)的接觸壓力對(duì)電連接接觸電阻有影響，過大的接觸壓力對(duì)電連接接觸電阻影響較小；接觸面的表面粗糙度對(duì)電連接接觸電阻的影響程度要大于接觸壓力的影響，在實(shí)際電連接的操作工藝中，要優(yōu)先通過提高接觸面的表面粗糙度來降低電連接的接觸電阻。

b.提出一種以低熔點(diǎn)合金作為填充材料的電連接方法，低熔點(diǎn)合金在電連接界面具有較好的潤(rùn)濕性，增加了電連接的接觸面積，降低了由于接觸壓力和接觸表面粗糙度對(duì)接觸電阻的影響。測(cè)試結(jié)果表明該方法連接的銅母排接觸電阻值要小于無填充連接和電力復(fù)合脂連接的接觸電阻值，減少了電連接在電能傳輸中的發(fā)熱量，可提高電連接的運(yùn)行可靠性。