王麗麗，陸儉國，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，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象，在相同腐蝕時間不同二氧化硫濃度和相同二氧化硫濃度不同腐蝕時間的試驗條件下，對機械栓接的接線端子進行加速腐蝕試驗；通過研制的電接觸性能測試設(shè)備測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間的延長變化相對很小，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]．接線端長期暴露在污染空氣中，在其接觸表面會形成導(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)的可靠運行．

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要研究連接器觸點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電接觸性能的影響[3-7]；文獻(xiàn)[8]研究對比了電力電纜的銅和鋁連接件在惡劣的實驗室環(huán)境下接觸電阻的變化[8]．但是，對污染環(huán)境中螺栓連接的保護和控制類電器接線端電接觸可靠性的研究相對較少，文章以斷路器接線端為研究對象，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)場環(huán)境暴露實驗通常耗時很長，所以研究用加速腐蝕實驗來代替現(xiàn)場環(huán)境試驗．幾十年來，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)用的加速實驗標(biāo)準(zhǔn)．本文對斷路器接線端在體積濃度為18.25×10-6的二氧化硫環(huán)境下進行短期加速腐蝕試驗，通過測量分析腐蝕過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 試驗試品

試驗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

研究通過測量接線端子在二氧化硫腐蝕環(huán)境中接觸電阻的變化，來衡量接線端子的電接觸性能，與斷路器的觸頭和動作機構(gòu)無關(guān)，故將試驗的斷路器接線端設(shè)計為長150mm、寬16mm、厚3mm的導(dǎo)電銅板．同時，設(shè)計了測試連接片作為斷路器接線端的外電路連接部分，測試連接片寬16 mm、厚3mm，分為U型和長方形，便于試驗時所有接線端子串聯(lián)連接．試驗中考慮到測量的方便和準(zhǔn)確性，在每塊導(dǎo)電銅板和測試連接片距離接線端子固定距離處設(shè)計了檢測孔，用于連接接觸電阻檢測信號線．

1.2 試品的組裝

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

為了保證試驗的接線端接觸電阻的數(shù)據(jù)規(guī)律具有重復(fù)性，每個二氧化硫濃度對12組接線端子進行試驗，試驗時12組接線端子串聯(lián)連接．

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)計

試驗分為兩個部分．第1部分試驗，以1×10-6二氧化硫體積濃度為基準(zhǔn)，5組獨立的12個接線端和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)進行72h試驗，通過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，驗證二氧化硫體積濃度在8×10-6以上時，能否對試驗端子產(chǎn)生腐蝕．第2部分試驗，以二氧化硫濃度為加速因子對接線端進行電接觸性能惡化的加速試驗，以上海地區(qū)二氧化硫體積濃度0.05×10-6為基準(zhǔn)，對12個接線端和若干標(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)進行240h試驗，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．試驗期間，每隔22 h測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 試驗條件

根據(jù)《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程接觸點和連接件的二氧化硫試驗導(dǎo)則》，試驗環(huán)境相對濕度小于70%時幾乎不發(fā)生腐蝕，相對濕度超過80%時腐蝕產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)顯著改變；溫度高于30℃時，有改變自然腐蝕機理的傾向，溫度較低時，又導(dǎo)致試驗時間過長，所以本試驗條件相對濕度取75%，溫度取25±2℃．同時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，二氧化硫體積濃度超過25 ×10-6會改變接線端的腐蝕機理，故將進行加速腐蝕試驗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直流電阻測量

試驗測量的接觸電阻值是從檢測孔到接線端子本體，每個電阻值測量3次求其平均值，以消除隨機干擾；所有接線端子的接觸電阻都是在室溫24℃下，通過研制的電接觸性能測試設(shè)備測量．由于電阻值是在同一溫度下測量，所以分析腐蝕結(jié)果時沒有對測量的接觸電阻值進行任何校正．

接觸電阻測量裝置采用工業(yè)控制用計算機控制，可自動完成12個接線端接觸電阻的測量．測量裝置采用恒流源提供恒定、高精度的10 A測量電流，12個接線端串聯(lián)接在回路中，同時在回路中串接可通信6位半數(shù)字電流表用于監(jiān)測和校對試驗回路電流，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量接線端接觸壓降．?dāng)嗦菲鞯拿總€接線端分別引出兩根導(dǎo)線通過繼電器的常開觸點接于可通信的數(shù)字電壓表的輸入端，工控機通過數(shù)字I/O擴展卡控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通，進而控制小型繼電器的通斷去切換接線端的檢測通道，順序測量每個通道的接觸壓降．裝置通過自動記錄同一時刻通過接線端的電流值和其兩端的電壓降，利用歐姆定理計算接線端接觸電阻值，測量的接觸電阻值可精確到0.001．

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 驗證試驗

1倍、2倍、4倍、8倍、16倍二氧化硫基準(zhǔn)體積濃度試驗條件下，分別連續(xù)試驗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)體積濃度試驗結(jié)束后的銅片表面未見明顯腐蝕痕跡；當(dāng)二氧化硫濃度增加到8倍和16倍基準(zhǔn)體積濃度時，銅片表面清楚地觀測到少量腐蝕產(chǎn)物，且呈點狀分布．

對不同二氧化硫濃度試驗條件下測量的接線端接觸電阻值進行分析，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72 h后，兩組接線端接觸電阻值相對于初始值的變化，在1倍、2倍、4倍基準(zhǔn)體積濃度時，接觸電阻相對于初始值減小了0.35%左右，這是由于試驗是在潮濕的環(huán)境下進行的，接線端接觸面會凝結(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，增強了水膜的導(dǎo)電性，使測量的接觸電阻值變小．當(dāng)二氧化硫體積濃度為8×10-6的試驗結(jié)束后，接觸電阻值相對于初始值減小了0.25%左右，在16 ×10-6試驗結(jié)束后，接線端的接觸電阻值相對于初始值增大了0.75%左右．

上述試驗結(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，對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，銅片開始出現(xiàn)腐蝕且接線端接觸電阻值開始相對增加[11]．

二氧化硫體積濃度為16×10-6的加速腐蝕試驗說明選定的18.25×10-6的二氧化硫試驗濃度足以對接線端子產(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間的延長而加劇，雖然不成正比關(guān)系，但可以由延長暴露時間得到接線端電接觸性能的變化．

3.2 加速腐蝕試驗

18.25 ×10-6二氧化硫體積濃度試驗條件下，標(biāo)準(zhǔn)銅片在不同試驗時間時的金相圖如圖2所示．由圖2可以看出，試驗初期，銅片表面可以看到明顯腐蝕，如圖2a）所示，隨著試驗時間的延長腐蝕產(chǎn)物不斷增加，腐蝕由最初的分散點狀，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的試驗環(huán)境中，每隔22 h檢測第2個接線端接觸電阻值（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．對上述不同試驗時間接線端的接觸電阻值進行4次多項式擬合，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是在潮濕的環(huán)境下進行的，接線端接觸面會凝結(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，增強水膜的導(dǎo)電性，使測量的接觸電阻值變小，這與驗證試驗中接線端接觸電阻值相對減小過程完全吻合．但是，從擬合曲線來看，接觸電阻的阻值總體上呈現(xiàn)上升趨勢，只是阻值增大相對很小，只有初始值的5%，不會影響接線端的電接觸性能．對其他11組接線端的接觸電阻值進行上述分析，結(jié)果基本相同．

圖2 18.25×10-6二氧化硫濃度不同試驗時間標(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時間的變化曲線Fig.3 The change curveof resistance valuew ith test time

4 結(jié)論

根據(jù)上述試驗結(jié)果，在加速腐蝕試驗中，使用螺栓連接的斷路器接線端的接觸電阻值隨腐蝕時間的延長變化相對很小，只有初始值的5%．這說明，經(jīng)過加速腐蝕試驗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．電接觸材料腐蝕機制研究進展[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[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2004，19（9）：51-56．

[6]任萬濱，王鵬，馬曉明，等．微動誘發(fā)的觸點電接觸間歇失效現(xiàn)象研究[J]．摩擦學(xué)學(xué)報，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)境試驗規(guī)程接觸點和連接件的二氧化硫試驗導(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)律和機理[J]．中國有色金屬學(xué)報，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（1936-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．