刘雪扬，孙连娇，曹先洪

(云南工商学院智能科学与工程学院，云南 昆明 651701)

在输配电系统中存在许多连接点，如耐张线夹、引流板、接续管、穿刺线夹、载流连接板等。这些连接点会产生发热现象造成电能损失，同时还要定期进行巡视，不仅投入大量的人力、物力使输配电成本大大提高，而且发热点一旦温度过高，会发生故障，甚至导致大面积停电[1-3]。

电连接点发热主要因为接触电阻较大，因此要减小接触电阻，这就需要了解接触电阻跟哪些因素有关，如何控制这些因素来减小接触电阻，但是通过试验进行研究，时间和成本巨大，因此需要借助仿真进行研究。文献[4]研究圆柱形铜排间不同扭矩与接触面积间的关系，并进行接触电阻的仿真分析；文献[5]基于有限元理论，分别在瞬态和稳态情况下对母线板温度、电流密度分布规律等进行分析，但并没有用试验验证仿真分析的可靠性；文献[6]针对一起35 kV的电流互感器载流连接板的发热故障进行仿真分析，但没有进行试验验证。

本文根据电接触理论，首先分析了接触电阻的计算模型，并采用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对其进行电-热-流耦合分析[7]，给出了电连接在加载电流时的温升情况；然后研究不同材料、不同接触面压力以及不同表面粗糙度对电连接温升的影响；最后提出一种以低熔点合金作为填充材料的电连接方法，并对电连接进行相关测试。

1 电连接接触电阻模型

电连接发热是由于存在接触电阻而导致的。接触电阻的本质是导体接触部位存在1个电阻，使流过导体电接触处出现局部高温现象。接触电阻的形成过程较为复杂，导体接触界面如图1所示，导体a与导体b接触，当接触面较为理想时，流过导体接触面的电流线保持平行，不会发生畸变现象，不存在接触电阻；但是即使导体表面经过精细加工，从微观上看也是凹凸不平的。

导体电阻 接触电阻接触面图1 导体电阻与接触面接触状况

由电接触理论可知[8-9]，当两导体发生接触时，由于导体表面凹凸不平，部分导体表面没有接触，则电流无法通过这些没有接触的地方，只能通过接触表面的若干导电斑点流经接触表面。当电流通过导电斑点时，接触面发生改变，有效导电面积减小，电流线产生收缩现象，电流流经路径变长，产生收缩电阻。当两接触导体的材料相同，电阻率为ρ，导电斑点半径为r，1个导电斑点的收缩电阻为Rs=ρ/2r。

J.A.Greenwood研究表明，当接触面导电斑点数量为n时，总收缩电阻为

(1)

式中：ri、rj为接触面不同导电斑点半径(i≠j)；dij为导电斑点之间的距离。

电接触表面由于金属氧化物、灰尘、污物或夹在接触面间的油、水膜等原因覆盖着一层导电性很差的物质，通常电接触表面氧化膜居多。大多数氧化膜是半导体，电阻率较高，这就增加了接触电阻阻值。膜层电阻为

(2)

式中：ρf为膜层电阻率；δc为膜层厚度。

由于收缩电阻和膜层电阻在电路上串联，因此接触元件表面的接触电阻为收缩电阻和膜层电阻的和，即Rc=Rh+Rf。电连接中接触电阻的增大将直接表现为电连接温度升高，因此本文用最终的温升来表征接触电阻对电连接的影响。

2 电连接温升的影响因素

电连接中的接触电阻影响因素有很多，包括接触形式、接触压力、接触表面的粗糙度、温度以及材料的性质等。本文建立螺栓连接的三维模型，如图2所示，采用COMSOL Multiphysics软件的电-热-流耦合物理场进行分析，即电流、固体传热、层流3个物理场的耦合仿真，研究材料、接触压力、表面粗糙度3个方面对电连接的影响情况。

图2 螺栓连接的三维模型

2.1 材料对电连接温升的影响

电连接中的连接材料主要为铜和铝，输配电系统中普遍存在铜-铜、铜-铝、铝-铝的连接。在接触压力、表面粗糙度和连接尺寸都相同的情况下，采用参数扫描的仿真方法在电连接的两端加载直流电流，3种不同材料电连接的温升结果如图3所示。

图3 3种不同材料电连接温升

由图3可以看出，3种电连接温升都呈指数形式上升。加载电流为400 A时，铜和铜电连接温升为51 K，铝和铝电连接的温升为80.43 K，铜和铝电连接的温升介于两者之间。由于铝的导电率比铜的要低，其连接后的温升较高。在实际使用中，铜和铝的电连接还会被外界环境的影响而产生电化学腐蚀，会进一步增加铜铝电连接的接触电阻，因此铜铝电连接的温升会加大。

2.2 接触压力对电连接温升的影响

接触压力对铜和铜电连接温升的影响结果如图4所示。接触压力小于0.5 kPa，对温升的影响已经很小；接触压力大于0.5 kPa，温升值逐渐下降。

图4 接触压力对电连接温升的影响

由仿真结果可以看出，电连接的收缩电阻和膜层电阻受到接触压力的影响较大，压力与接触电阻之间的关系为

Rc=C/Fm

(3)

式中：F为接触压力；C为比例系数；m为指数。C和m由连接结构、表面涂层等决定。

接触压力增加导致接触位置的有效接触面积增大，导电斑点的数量增多，从而减小收缩电阻Rh。当接触压力增加到一定程度后，接触部位产生塑性变形，接触表面膜被压碎，原来未接触的部分也因压力的作用产生接触，增加了接触面积，这就使收缩电阻Rh因膜层电阻Rf的减小而下降，致使电连接的接触电阻Rc将减小。考虑到电连接的应用场合以及连接方式，接触压力不可能无限增加，应该给电连接施加一个合适的接触压力。

2.3 粗糙度对电接触温升的影响

本文的表面粗糙度采用微观不平度十点高度RZ来表示，在其他仿真条件设置相同的情况下，分析表面粗糙度对电连接温升的影响，如图5所示。在相同接触压力情况下，表面粗糙度RZ越小，电连接的温升越低，当表面粗糙度RZ增加到8 μm后，其电连接的温升增加量逐渐减少，说明当表面粗糙度增加到一定程度后，影响很小。

图5 表面粗糙度对电连接温升的影响

电连接接触表面的粗糙度不同，导电斑点的数量就有区别，直接影响了接触电阻的大小。粗加工、精加工、电化学抛光等不同的加工形式直接影响导电斑点数量n的多少，并最终影响接触电阻的大小。因此在输配电系统中关键部位的电连接，应该提高接触表面的粗糙度，降低接触电阻，从而减少发热量。

3 采用低熔点合金减小电连接接触电阻的方法

基于以上仿真分析，本文提出一种以低熔点合金作为填充材料的电连接方法来减小电连接的接触电阻。减小电连接的接触电阻需要增加接触面积，这就需要低熔点合金在电连接材料的表面具有良好的润湿性能，因此首先选出润湿性能较好的低熔点合金材料。

3.1 低熔点合金的润湿性分析

本文选择4种不同成分的低熔点合金进行润湿性分析[10]，低熔点合金分别为Sn-0.7Cu-Zn、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu-Zn-Bi和Sn-0.75Cu。界面材料的润湿性以其在基材表面的铺展面积表征，基材为20 mm×20 mm×0.8 mm的T2紫铜板。将0.2 g的球状低熔点合金，放置于涂覆有活性连接剂的铜基板中央，并将其放在260 ℃的回流焊机中进行熔化润湿，润湿试验的部分结果如图6所示(从左到右依次为Sn-0.7Cu-Zn、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu-Zn-Bi和Sn-0.75Cu)。

图6 润湿试验的部分结果

采用Image Pro Plus图像处理软件测量低熔点合金的润湿铺展面积，每种低熔点合金重复3次，取平均值，结果如图7所示。在4种低熔点合金中，Sn-3.5Ag合金在铜基板上的铺展面积最大，达到了52.56 mm2，说明该低熔点合金用于铜为基材的电连接中可以有效填充电连接之间的缝隙，因此选择Sn-3.5Ag作为电连接的填充材料。

图7 低熔点合金在铜基板上的铺展面积

3.2 低熔点合金填充电连接的接触电阻测试

电连接接触电阻的测试试样为20 mm×2 mm×100 mm的铜母排连接，分别制作了无填充、电力复合脂填充和低熔点合金填充的铜母排连接，如图8所示。接触电阻的测试仪器为保定金源科技有限公司生产的JYL回路电阻测试仪，测试电流为100 A，测试时间为30 s，测试线夹均夹在距离铜母排连接中心40 mm处，进行3次测试取其平均值。

图8 不同连接方法的铜母排连接

3种不同填充形式铜母排连接的接触电阻(5个试样的平均值)测试结果见表1。

表1 接触电阻测试结果 单位：μΩ

由表1可以看出，低熔点合金填充的铜母排连接接触电阻最小，相比于无填充和电力复合脂填充的连接方法，其接触电阻分别减小18.5%和12.6%，低熔点合金填充的铜母排连接的接触电阻仅略大于等效长度的铜材电阻。

图9为采用ERESCO MF4便携式X光机进行的内部探伤测试结果，从上到下为无填充连接、电力复合脂连接和低熔点合金连接。

图9 内部探伤结果

由图9可以看出，低熔点合金连接的接触面积要大于前2种连接，且接触面被低熔点合金密封，能够避免外界空气、液体进入导致腐蚀。而且无填充连接接触面间的介质为空气与电力复合脂均不导电，低熔点合金的导电性能和导热性能都较前2种较好，减小接触电阻的同时，更提高了连接的可靠性。

3.3 低熔点合金填充电连接的温升试验

为了进一步验证该方法的有效性，本文搭建了SLQ-2000A升流试验平台，其系统结构如图10所示，大电流试验系统包括380 V交流电源、调压器、升流器、电流互感器、仪表、热电偶、上位机等部分。电连接的温度测试采用K型热电偶，温度测试仪为优利德UT325温度测试仪。

图10 SLQ-2000A升流试验系统结构

温升试验参考GB/T 2317.3—2008《电力金具试验方法 第3部分：热循环试验》。温升试验过程中，需要保持30 min，且温度在15 min内无明显变化后读取温度值。铜母排电连接的温升试验结果如表2所示。

表2 温升试验结果

由表2可以看出，低熔点合金填充电连接的温升值低于无填充和电力复合脂填充的温升值，说明本文提出的方法能够减少电连接的发热量。

4 结论

a.通过COMSOL Multiphysics软件的物理场耦合仿真分析，电连接的接触电阻受到材料电导率等性质的影响，电导率越高，接触电阻越小；一定范围内的接触压力对电连接接触电阻有影响，过大的接触压力对电连接接触电阻影响较小；接触面的表面粗糙度对电连接接触电阻的影响程度要大于接触压力的影响，在实际电连接的操作工艺中，要优先通过提高接触面的表面粗糙度来降低电连接的接触电阻。

b.提出一种以低熔点合金作为填充材料的电连接方法，低熔点合金在电连接界面具有较好的润湿性，增加了电连接的接触面积，降低了由于接触压力和接触表面粗糙度对接触电阻的影响。测试结果表明该方法连接的铜母排接触电阻值要小于无填充连接和电力复合脂连接的接触电阻值，减少了电连接在电能传输中的发热量，可提高电连接的运行可靠性。