二氧化硫环境下断路器接线端电接触可靠性的研究

王丽丽，陆俭国，王景芹

（河北工业大学电器研究所，天津 300130）

二氧化硫环境下断路器接线端电接触可靠性的研究

王丽丽，陆俭国，王景芹

（河北工业大学电器研究所，天津 300130）

导致电连接发生电接触故障的主要原因是大气环境腐蚀．以断路器的接线端为研究对象，在相同腐蚀时间不同二氧化硫浓度和相同二氧化硫浓度不同腐蚀时间的试验条件下，对机械栓接的接线端子进行加速腐蚀试验；通过研制的电接触性能测试设备测量接线端子的接触电阻，研究腐蚀环境中接线端子的电接触可靠性．结果表明，使用螺栓连接的接线端的接触电阻值随腐蚀时间的延长变化相对很小，只有初始值的5%，螺栓连接处仍保持低电阻，未引起接线端电接触性能的变化．

接线端子；二氧化硫；加速腐蚀；接触电阻；电接触可靠性

0 引言

电连接是电力电子设备与系统中必不可少且大量存在的环节，而断路器、接触器等保护和控制类电器的接线端子是电连接中的重要组成部分．接线端连接属于长久性电连接，导致其发生电接触故障的主要原因是大气环境腐蚀，这类腐蚀主要是由空气中的湿气及污染物所引起，而污染物中主要的腐蚀成分之一为二氧化硫[1-2]．接线端长期暴露在污染空气中，在其接触表面会形成导电性很差的腐蚀产物，影响其电接触可靠性，从而严重影响其服役系统的可靠运行．

目前，国内外学者主要研究连接器触点在大气腐蚀条件下的电接触性能，及接触件之间的微震磨损腐蚀和接触面镀层后形成的孔隙腐蚀对电接触性能的影响[3-7]；文献[8]研究对比了电力电缆的铜和铝连接件在恶劣的实验室环境下接触电阻的变化[8]．但是，对污染环境中螺栓连接的保护和控制类电器接线端电接触可靠性的研究相对较少，文章以断路器接线端为研究对象，研究其在二氧化硫环境下接线端的电接触可靠性．

由于现场环境暴露实验通常耗时很长，所以研究用加速腐蚀实验来代替现场环境试验．几十年来，高浓度（大于10×10-6）的二氧化硫或硫化氢单一气体的加速腐蚀一直被作为工业应用的加速实验标准．本文对断路器接线端在体积浓度为18.25×10-6的二氧化硫环境下进行短期加速腐蚀试验，通过测量分析腐蚀过程中接线端接触电阻的变化，研究二氧化硫环境下接线端的电接触可靠性[9]．

1 试验试品

试验研究的接线端是按照额定电流100A的塑壳断路器的标准尺寸设计加工，且用于组装接线端试品的每一块铜导体都是由某厂家提供的标准商业可用的．

1.1 试品的设计

研究通过测量接线端子在二氧化硫腐蚀环境中接触电阻的变化，来衡量接线端子的电接触性能，与断路器的触头和动作机构无关，故将试验的断路器接线端设计为长150mm、宽16mm、厚3mm的导电铜板．同时，设计了测试连接片作为断路器接线端的外电路连接部分，测试连接片宽16 mm、厚3mm，分为U型和长方形，便于试验时所有接线端子串联连接．试验中考虑到测量的方便和准确性，在每块导电铜板和测试连接片距离接线端子固定距离处设计了检测孔，用于连接接触电阻检测信号线．

1.2 试品的组装

根据生产厂家的推荐规范对接线端进行安装，断路器接线端子与外电路通过厂家提供的机械螺栓连接，手工装配成图1形式．图1中的6组试验接线端由3块导电铜板和4块测试连接片组成，编号A1、A2、B1、B2、C1、C2为接线端的固定孔，用于机械螺栓固定导电铜板与测试连接片，并利用扭矩扳手使接线端螺栓的扭力达到10N m，模拟断路器实际工作时的接线端螺栓连接状态；编号1～9为接线孔，用于连接接线端接触电阻的检测信号线，试验之前所有检测信号线连接完毕．

为了保证试验的接线端接触电阻的数据规律具有重复性，每个二氧化硫浓度对12组接线端子进行试验，试验时12组接线端子串联连接．

2 试验方案

2.1 试验设计

试验分为两个部分．第1部分试验，以1×10-6二氧化硫体积浓度为基准，5组独立的12个接线端和8块标准铜片分别在基准体积浓度1倍、2倍、4倍、8倍和16倍的规定环境中连续进行72h试验，通过分析接线端接触电阻的变化和观察标准铜片的表面腐蚀情况，验证二氧化硫体积浓度在8×10-6以上时，能否对试验端子产生腐蚀．第2部分试验，以二氧化硫浓度为加速因子对接线端进行电接触性能恶化的加速试验，以上海地区二氧化硫体积浓度0.05×10-6为基准，对12个接线端和若干标准铜片在二氧化硫浓度为18.25 ×10-6的环境中连续进行240h试验，用于等效接线端在自然环境中正常工作10年电接触性能的变化．试验期间，每隔22 h测量一次接线端子的接触电阻，并取出两块标准铜片，观察铜片表面的腐蚀情况．

2.2 试验条件

根据《电工电子产品基本环境试验规程接触点和连接件的二氧化硫试验导则》，试验环境相对湿度小于70%时几乎不发生腐蚀，相对湿度超过80%时腐蚀产物的结构显著改变；温度高于30℃时，有改变自然腐蚀机理的倾向，温度较低时，又导致试验时间过长，所以本试验条件相对湿度取75%，温度取25±2℃．同时，根据标准规定，二氧化硫体积浓度超过25 ×10-6会改变接线端的腐蚀机理，故将进行加速腐蚀试验的二氧化硫浓度定为18.25×10-6是合理的[10]．

图1 接线端试品装配示意图Fig.1 The installation diagram of terminalsam ple

2.3直流电阻测量

试验测量的接触电阻值是从检测孔到接线端子本体，每个电阻值测量3次求其平均值，以消除随机干扰；所有接线端子的接触电阻都是在室温24℃下，通过研制的电接触性能测试设备测量．由于电阻值是在同一温度下测量，所以分析腐蚀结果时没有对测量的接触电阻值进行任何校正．

接触电阻测量装置采用工业控制用计算机控制，可自动完成12个接线端接触电阻的测量．测量装置采用恒流源提供恒定、高精度的10 A测量电流，12个接线端串联接在回路中，同时在回路中串接可通信6位半数字电流表用于监测和校对试验回路电流，在接线端两端并联可通信6位半数字电压表用于精确测量接线端接触压降．断路器的每个接线端分别引出两根导线通过继电器的常开触点接于可通信的数字电压表的输入端，工控机通过数字I/O扩展卡控制固态继电器的导通，进而控制小型继电器的通断去切换接线端的检测通道，顺序测量每个通道的接触压降．装置通过自动记录同一时刻通过接线端的电流值和其两端的电压降，利用欧姆定理计算接线端接触电阻值，测量的接触电阻值可精确到0.001．

3 试验结果与分析

3.1 验证试验

1倍、2倍、4倍、8倍、16倍二氧化硫基准体积浓度试验条件下，分别连续试验72 h后，利用体视显微镜观察标准铜片表面的腐蚀情况．可以发现，1倍、2倍、4倍基准体积浓度试验结束后的铜片表面未见明显腐蚀痕迹；当二氧化硫浓度增加到8倍和16倍基准体积浓度时，铜片表面清楚地观测到少量腐蚀产物，且呈点状分布．

对不同二氧化硫浓度试验条件下测量的接线端接触电阻值进行分析，分析结果如表1所示．表1显示了不同二氧化硫浓度下试验72 h后，两组接线端接触电阻值相对于初始值的变化，在1倍、2倍、4倍基准体积浓度时，接触电阻相对于初始值减小了0.35%左右，这是由于试验是在潮湿的环境下进行的，接线端接触面会凝结一层连续的水膜，铜的腐蚀产物将水膜变成电解质溶液，增强了水膜的导电性，使测量的接触电阻值变小．当二氧化硫体积浓度为8×10-6的试验结束后，接触电阻值相对于初始值减小了0.25%左右，在16 ×10-6试验结束后，接线端的接触电阻值相对于初始值增大了0.75%左右．

上述试验结果表明，在二氧化硫浓度为基准体积浓度的1倍、2倍和4倍时，对完全暴露在腐蚀气体中的标准铜片不足以产生腐蚀，则对封闭的接线端更不足以产生腐蚀；当二氧化硫浓度为8倍和16倍基准体积浓度时，铜片开始出现腐蚀且接线端接触电阻值开始相对增加[11]．

二氧化硫体积浓度为16×10-6的加速腐蚀试验说明选定的18.25×10-6的二氧化硫试验浓度足以对接线端子产生合理的加速腐蚀作用．断路器接线端子暴露在试验气体中，被引起的腐蚀和接线端电接触性能的下降随着暴露时间的延长而加剧，虽然不成正比关系，但可以由延长暴露时间得到接线端电接触性能的变化．

3.2 加速腐蚀试验

18.25 ×10-6二氧化硫体积浓度试验条件下，标准铜片在不同试验时间时的金相图如图2所示．由图2可以看出，试验初期，铜片表面可以看到明显腐蚀，如图2a）所示，随着试验时间的延长腐蚀产物不断增加，腐蚀由最初的分散点状，逐步形成图2b）所示的片状，最后铜片表面被大量腐蚀产物覆盖，如图2c）所示．

表1 不同SO2浓度相同腐蚀时间接线端接触电阻值的变化Tab.1 The changeof valueof contactresistanceunder the different concentrationsof SO2w ith thesame corrosion time

二氧化硫体积浓度为18.25×10-6的试验环境中，每隔22 h检测第2个接线端接触电阻值（单位：）：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．对上述不同试验时间接线端的接触电阻值进行4次多项式拟合，所得的拟合曲线如图3所示．图中接触电阻值减小趋于平缓部分是由于试验是在潮湿的环境下进行的，接线端接触面会凝结一层连续的水膜，铜的腐蚀产物将水膜变成电解质溶液，增强水膜的导电性，使测量的接触电阻值变小，这与验证试验中接线端接触电阻值相对减小过程完全吻合．但是，从拟合曲线来看，接触电阻的阻值总体上呈现上升趋势，只是阻值增大相对很小，只有初始值的5%，不会影响接线端的电接触性能．对其他11组接线端的接触电阻值进行上述分析，结果基本相同．

图2 18.25×10-6二氧化硫浓度不同试验时间标准铜片表面的金相图Fig.2 Themetallographic figuresofstandard copper piecesurface in differenttest timew ith 18.25×10-6concentrationsof SO2

图3 接线端接触电阻随试验时间的变化曲线Fig.3 The change curveof resistance valuew ith test time

4 结论

根据上述试验结果，在加速腐蚀试验中，使用螺栓连接的断路器接线端的接触电阻值随腐蚀时间的延长变化相对很小，只有初始值的5%．这说明，经过加速腐蚀试验后的接线端仍保持低电阻，未引起接线端电接触性能的变化．因此，在不考虑一些因素，如热循环、连接处的应力松弛和其它环境因素的情况下，本文研究的接线端子在二氧化硫浓度（如：0.05×10-6）和保护类电器一般规定的使用期限（如：十年）下，使用合适的螺栓连接，其接线端的接触电阻值在使用接收范围之内，断路器可正常工作．

[1]许军，李坤．电接触的接触电阻研究[J]．电工材料，2011，39（1）：10-13．

[2]陈巍，郑冀．电接触材料腐蚀机制研究进展[J]．电工材料，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，章继高．镀金表面微孔腐蚀的电接触特点[J]．电工技术学报，2004，19（9）：51-56．

[6]任万滨，王鹏，马晓明，等．微动诱发的触点电接触间歇失效现象研究[J]．摩擦学学报，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，电工电子产品基本环境试验规程接触点和连接件的二氧化硫试验导则[S]．

[11]严川伟，何毓番，林海潮，等．铜在含SO2大气中的腐蚀初期规律和机理[J]．中国有色金属学报，2000，10（5）：645-648．

[责任编辑 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

河北省杰出青年科学基金（E2009001584）

王丽丽（1986-），女（汉族），博士生．通讯作者：陆俭国（1936-），男（汉族），教授，博士生导师．