影響GIS固定接觸部接觸電阻的因素研究

劉金賀 郝春來 李文昊 肖鶴旋

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

當今社會，在所有電力傳輸和分配、大多數控制和信息交換過程中，電力至少有一次電接觸。電氣觸點發生故障可能會有很嚴重的后果。中國電網容量的迅速增長和電力電子技術的發展都離不開氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）設備做出的巨大貢獻。GIS具有結構緊湊、占地面積小、可靠性高、維護方便、對環境適應性強等優點，深受人們的青睞。550 kV GIS 長母線承擔主要的電力運輸任務，長距離的電力輸送使母線之間必然存在大量電接觸，要不斷減少母線因自身損耗而發熱的情況。溫升是影響GIS設備運行狀態的重要物理量，而電阻是影響設備溫升的重要因素。對GIS 設備而言，導電回路電阻一直是影響設備質量和運行狀態的重要技術指標，在相關國家標準和行業標準中均有明確規定［1］。

接觸電阻是所有電接觸件中最重要和最普遍的物理量，與整個電路電阻相比，接觸電阻明顯更小，在其發生變化時，會導致裝置出現嚴重故障。這是因為接觸電阻會隨實際接觸面積、接觸壓力、電阻膜不均勻性及其他因素的變化而發生顯著變化，導致電壓增加，使設備的精細調整或良好操作變得更困難。接觸電阻是表征某一導電回路連接是否良好的關鍵參數，每一種高壓設備接觸電阻值的大小都有相關規定。若接觸電阻超過規定值，很可能是導電回路某一連接處接觸不良所致的。通常GIS 設備的額定電流較大，若設備內部導電回路接觸不良，則接觸不良處的局部會溫升增高，嚴重時甚至會造成接觸部分熔焊，所以要加倍注意應用于大電流運行的高壓開關設備［1］。因此，對GIS 固定接觸部接觸電阻的影響因素進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導體，從鍍銀層厚度、接觸面積、接觸壓力這3 個方面出發，對GIS固定接觸部的接觸電阻進行試驗。在彈性接觸下，研究鍍銀層厚度、接觸面積、接觸壓力對固定接觸部接觸電阻的影響。

1 接觸電阻計算理論

1.1 接觸電阻理論基礎

任何經過精細加工的名義上平面，實際上都是粗糙不平的表面。當這種名義上的平面相互接觸時，即外加很大的接觸力（如彈簧力、螺栓力）使兩個表面相互緊壓，但接觸面上也只有少數的點（小面）發生了真正接觸，這些實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電的氧化膜或其他類型的膜，導致在實際接觸的小面內只有少部分膜被壓破的區域才能形成直接接觸，電流只能從這些更小的金屬接觸點通過。為了區分實際接觸的小面中的導電和不導電部分，把實際發生機械接觸的小面稱為“機械接觸斑點”，簡稱“接觸斑點”，其中形成金屬接觸或準金屬接觸的更小面（實際傳導電流的面）稱為“導電斑點”，通常被稱為“a斑點”。

當兩個覆蓋表面膜的接觸元件相互接觸時，其接觸內表面的詳細結構如圖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，只有很少部分的實際接觸面Ab（即機械接觸斑點面積之和），而在實際接觸中又只有少部分導電面Ac（即導電斑點面積之和）。

圖1 兩個具有表面膜的接觸元件相互接觸時接觸表面結構示意

導電斑點的存在使電流在流過接觸元件內表面時，電流線發生收縮。由于電流線在導電斑點附近發生收縮，使電流流過路徑增長，有效導電面積減小，從而產生局部的附加電阻，即收縮電阻，如圖2 所示。如果電流流過的導電斑點不是純金屬接觸，而是通過極薄的膜時，還會遇到另一個附加電阻，即膜電阻。在電路中，這兩部分附加電阻是串聯相加的，這兩個附加電阻被總稱為接觸電阻。

圖2 導電斑點附近電流線發生收縮效應

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

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

1.2 收縮電阻的物理模型及計算

導電斑點的形狀近似橢圓形，模型如圖3 所示。假設接觸面上的導電斑點為一橢圓平面，其長軸、短軸分別為α、β，等位面用參量μ來表示，其相應的收縮電阻見式（2）。

圖3 導電斑點附近電流線和等位面剖面圖（收縮電阻橢球場模型）

1.3 膜層電阻

當金屬導體處于大氣環境時，導體表面會很快產生一層氧化膜。若氧化膜層足夠厚，會導致金屬導體變成絕緣體；若氧化膜層較薄，在接觸面上施加一定電壓，金屬導體之間會有電流流過，而氧化膜層會有一定的電阻，即膜層電阻Rt。若外界壓力一定，且無其他外界因素的影響，Rt值基本保持恒定不變。

1.4 接觸電阻計算理論

在實際工程應用中，大多數觸頭屬球形粗糙表面接觸。觸頭上覆蓋著兩層不同性質的膜，外層為絕緣膜，內層為極薄的導電膜。假設外層絕緣膜已被接觸力壓破，導電面上保留著極薄的導電膜，在大接觸力下，接觸電阻的表示見式（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為導電膜的隧道電阻率；ξ為考慮表面粗糙度影響的矯正系數；F為接觸力；a為導電斑點半徑。其中，式（3）右邊的第一項為收縮電阻分量，第二項為膜電阻分量［15］。

2 試驗

2.1 試驗原理及方法

采用電壓降法對接觸電阻進行測量，即在被測電阻上通100 A 的直流電流，用電壓表來測量被測電阻上的電壓降，然后利用歐姆定律計算出被測電阻。在GIS 主回路中，接觸電阻一般較小，采用四線測量法能有效消除引線電阻對接觸電阻的影響，測試原理如圖4 所示。由于鋁的化學性質較為活潑，常溫條件下，其在空氣中很容易形成堅硬的氧化膜，從而使接觸電阻變大。接線前要用細紗布將被測試品的接線端和各測量接線點的氧化膜去掉，從而確保接觸良好，保證測量的準確性［16］。

圖4 試驗測試原理

2.2 試驗對象

以550 kV 彈簧觸指連接鋁制母線導體為研究對象，彈簧觸指接觸模型如圖5 所示，根據定制的實物來進行相關試驗研究。

圖5 彈簧觸指接觸模型

2.3 試驗平臺

選用若干絕緣支撐和彈簧觸指，導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導體各5 組、接觸面積研究用彈簧觸指連接母線導體5 組、接觸壓力研究用彈簧觸指連接母線導體5組，試驗平臺姿態如圖6所示。

圖6 試驗平臺姿態

2.4 試驗步驟

2.4.1 鍍銀層厚度影響研究。結合實際生產情況，研究0 μm、5 μm、8 μm、15 μm、24 μm 這5 種厚度的鍍銀層對母線接觸電阻產生的影響。嚴格按照生產工藝流程對母線連接部進行裝配，分別對5種厚度的母線接觸電阻進行多次測量。

2.4.2 接觸面積影響研究。母線導體連接處選用厚度為8 μm 的鍍銀層，分別對安裝1 道、2 道、3 道觸指的接觸電阻進行測量，分析接觸面積對接觸電阻的影響。

2.4.3 接觸壓力影響研究。導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足彈簧觸指彈性形變范圍內進行適當調整，彈簧壓型前、壓型后及并圈時的狀態如圖7、圖8、圖9 所示。在對并圈狀態分析后可知，pcosφb=d，得到并圈傾角φb，通過實際計算測量得到并圈短軸（中心位置）Hb、并圈長軸Bb及極限壓縮量。

圖7 壓型前彈簧狀態

圖8 壓型后彈簧自由狀態

圖9 彈簧并圈時狀態

根據以上計算結果，選取3 種接觸壓力對彈簧觸指連接母線導體的接觸電阻進行研究，總結接觸壓力對接觸電阻產生的影響。為保證試驗的精準度，以上關于鍍銀層厚度、接觸面積及接觸壓力試驗均在20 ℃的恒溫環境中進行。

3 試驗結果分析

3.1 鍍銀層厚度對接觸電阻的影響

由于鋁的導電性和導熱性較好，且價格較低，從而被廣泛用于制作母線，但其不耐弧，且化學性質活潑，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，導致接觸電阻增大。在擴建電站現場后期調試設備時，通過前期出線套管對新老設備對接處的回路電阻進行測量，回路電阻值與管理值相差非常大，這是由于氧化膜沒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，不影響導電性能，且其價格相對便宜，是理想的固定接觸材料。在實際生產中，常對母線接觸部進行鍍銀處理。此外，不同接觸部位的鍍銀厚度不同。現場安裝完成后，若無特殊情況，后期基本不會對母線導體連接面進行二次裝配。對同一種結構母線導體接觸部采用5 種不同厚度鍍銀處理后，研究鍍銀厚度對接觸電阻產生的影響，多次試驗結果如圖10所示。

圖10 鍍銀厚度對接觸電阻影響數據分析

由圖10 可知，隨著鍍銀層厚度增加，接觸電阻逐漸減小。當鍍銀層厚度從0 μm 增加至5 μm 時，母線導體接觸部的接觸電阻減小程度非常明顯；當鍍銀層厚度從5 μm 增加至8 μm 時，接觸電阻繼續減小，但變化較小。隨著鍍銀層厚度的增加，接觸電阻會不斷減小，但接觸電阻的減小幅度卻越來越小。因此，在實際生產中，鍍銀層厚度并非是越厚越好，而是根據額定電流要求，在滿足溫升試驗要求的前提下，以經濟指標最優為佳。

3.2 接觸面積對接觸電阻的影響

為研究接觸面積對接觸電阻的影響，對同種結構導體在同鍍銀厚度（8 μm）下，對裝配1、2、3 道彈簧觸指的接觸電阻進行測量，測量結果見表1。分別計算每種狀態下測量數據平均值，分析接觸面積對接觸電阻的影響，結果如圖11所示。

表1 接觸面積對接觸電阻的影響測量結果

圖11 接觸面積對接觸電阻的影響數據分析

由圖11可知，當導體接觸部彈簧觸指由1道變為2 道時，接觸電阻值從2.144 μΩ 降至1.312 μΩ，接觸電阻改善比較明顯；當觸指增加至3 道時，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（即導體間接觸壓力不變的情況）下，每道觸指導電斑點的面積基本相同，隨著彈簧觸指的數量增加，導體間視在接觸面積不斷增大，導電斑點會相應增加。假設導體接觸內表面有n個半徑為a的導電斑點，總收縮電阻為，忽略膜電阻的影響，理論結合實際測量表明，隨著導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，最終趨于一個穩定值。

3.3 接觸壓力對接觸電阻的影響

通過調整彈簧觸指的壓縮變形量來改變接觸壓力的大小，從而研究接觸壓力對接觸電阻的影響。測量施加3 種不同彈簧觸指壓縮變形量的導體接觸電阻，彈簧觸指在3 種狀態下對應的接觸壓力及測量的接觸電阻值見表2。彈簧觸指壓縮量與接觸壓力的關系如圖12 所示，接觸壓力與接觸電阻的關系如圖13所示。

表2 接觸壓力對接觸電阻的影響測量結果

圖12 彈簧觸指壓縮量與接觸壓力的關系

圖13 接觸壓力與接觸電阻的關系

對圖12、圖13 分析后可知，在彈簧觸指彈性形變范圍內，隨著彈簧觸指壓縮量的不斷增大，導體接觸部的接觸壓力會快速增加，對應接觸電阻前期下降非常明顯，然后趨于一種穩定略有下降的趨勢，最終接觸電阻值趨于穩定狀態。在小接觸壓力下，接觸電阻具有很大的分散性，并符合一定的統計分布特性；在大接觸壓力下，膜產生的影響很小，如果忽略膜電阻，接觸電阻等于收縮電阻。因此，當彈簧觸指壓縮量在合理的形變范圍內，即在一定區間內，接觸壓力的變化對接觸電阻的影響不大，不會引起接觸電阻產生較大的波動。因此，在實際工程中，選取合適的接觸力至關重要。

4 結論

通過研究得到以下3個結論。

①導體接觸部的鍍銀層厚度對接觸電阻的影響非常大。尤其是，當導體接觸部鍍銀層缺失時，其接觸電阻值是鍍銀層為8 μm 時接觸電阻值的5倍，因此在實際生產中，嚴禁接觸部鍍銀層缺失的導體投入生產。當鍍銀層增加至8 μm 以上時，其對母線接觸部接觸電阻產生的影響不斷減小。因此，在一定鍍銀層范圍內，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，在一定范圍內，通過調整接觸部的視在接觸面積，能有效增加導體內表面接觸部的導電斑點。隨著導電斑點的增加，收縮電阻及膜電阻不斷減小，總的接觸電阻也會不斷減小。因此，生產時可根據產品溫升的需求，結合經濟因素來適當調整導體接觸部的接觸面積，從而滿足生產需求。

③在彈性接觸階段，隨著接觸壓力的不斷變大，導體間的接觸更緊實，相應的機械接觸斑點增加，導電斑點也相應增大，導體間的實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，當彈簧壓縮量增加至最大值時，接觸面積趨于穩定，接觸壓力再增加也基本不對接觸電阻造成多少影響，接觸電阻趨于穩定。因此，在實際生產中，GIS 接觸部接觸壓力的選取非常重要，過小會造成接觸電阻較大，甚至會影響設備的安全運行；過大會造成裝配困難、資源浪費。