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電接觸的接觸電阻研究進展

文檔作者：劉向軍費鴻傻文檔來源：福州大學電氣系		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月06日
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嵩
The Research Progress 0n Electrica】Contact Resistance
,J,lt大學電氣系 劉向軍 費鴻傻 So
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內(nèi)容提要
接觸電阻是衡量電接觸系統(tǒng)可靠性的重要指標。本文從接觸電徂的影響翻索、數(shù)學模型等方面闡述了近幾年來接
觸電阻的研究動向，并提出了接觸電阻今后的研究方向。
關鍵詞：接觸電阻影響因素數(shù)學模型
Absttact
c∞l虻c zes／smnc*is E d罩m d麒tojudtle reliability。fd 制eomaet sy,Xtt~．Rem~chtired rtcetmt years．~ncludingtat~
ctfact~ andmathmmlee roM elie e~ unded，and research olieiltafiona-~m t~ti~fistaiace futm'eis a1．o ∞ ．
Ord8：ele~'Mcal omltact嘲 ．ce eft~ct faeto~ rna~ miics tmdel
一
、前言
電接觸是電子、通信、計算機、自動控
制、電力系統(tǒng)中存在著的普遍現(xiàn)象?，F(xiàn)代系
統(tǒng)的元件之間、整機之間，甚至系統(tǒng)之間都
需要電氣連接，如果接觸點發(fā)生故障，則很
可能影響到整個系統(tǒng)的可靠運行，因此，電
接觸的研究工作受到越來越多的重視。接
觸電阻是電接觸現(xiàn)象的一個基本的、重要的
參數(shù)。它直接體現(xiàn)了電接觸行為的好壞，影
響著接觸點的壽命和可靠性，因此，它常常
作為衡量接觸系統(tǒng)是否正常運行的重要指
標。接觸電阻對接觸點所產(chǎn)生的影響主要
表現(xiàn)在兩個方面：一是接觸不良。當流經(jīng)接
觸區(qū)的電流增大時，由于接觸電阻的存在，
將會導致接觸區(qū)溫度上升，這又進一步增大
接觸電阻，特別對于微小接觸壓力下的低電
壓小電流接觸點，由于接觸電阻的增加，更
容易引起接觸不良；二是熔焊。當電流流經(jīng)
接觸區(qū)時，如果接觸電阻過高，可能使接觸
區(qū)溫度超過觸頭材料的軟化溫度甚至熔化
溫度，造成接觸區(qū)局部軟化或熔化，導致熔
焊。
接觸電阻造成的問題不管是接觸不良，
還是熔焊，均對電系統(tǒng)的可靠運行造成障
礙。在當今效率與經(jīng)濟密不可分的年代，任
何一個小的故障都可能造成經(jīng)濟上的巨大
損失。因此，由接觸電阻引起的系統(tǒng)可靠性
問題越來越受到研究者們的關注。他們從
接觸電阻的影響因素，數(shù)學模型及改善措施
等不同側面對電接觸的接觸電阻進行研究，
取得了一些有效性進展。
二、接觸電阻的影響因素
過高或不穩(wěn)定的接觸電阻會導致接觸
故障，研究接觸電阻的影響因素對于獲得低
而穩(wěn)定的接觸電阻具有重要意義。接觸電
阻的影響因素多且復雜，歸納起來有以下幾
個方面。
1．電參數(shù)
(1)電流
普遍認為，隨著電流的增加，接觸電阻
逐漸下降并趨于穩(wěn)定。但這一說法并未考
慮接觸區(qū)是否有表面異物的存在，最近Ⅱ
1 J利用矩形脈沖電流法對接觸電阻進行
了測試，發(fā)現(xiàn)電流幅值對清潔觸頭的接觸電
阻無影響，在不同的電流振幅下接觸電阻非
常接近。這說明電流對接觸電阻的影響主
要表現(xiàn)在電流對觸頭表面氧化膜或污染物
的影響上，測量電流越大，對氧化膜或污染
物的熔解與擊穿越明顯，接觸電阻越小￡ 。
(2)負載類型
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負載類型包括阻性負載、感性負載和燈
負載。G．J．wi 31等人研究了銀基觸頭材
料接觸電阻與電負載的關系。開斷阻性負
載時，觸頭呈現(xiàn)穩(wěn)定的接觸電阻，而在開斷
感性負載時，接觸電阻不穩(wěn)定。研究表明，
觸頭分斷時，燃弧時間主要決定于負載電
感，而接觸電阻將與燃弧時間成正比_4J。對
于感性負載，儲藏的電磁能量在觸頭釋放時
以電弧的形式釋放出來，使電弧熄滅困難，
燃弧時聞增長，觸頭表層大片熔融，熔融區(qū)
含有大量的氧化物和氣孔，從而使接觸電阻
增大_4J。雖然觸點接觸燈負載時要承受很
大的沖擊電流，引起彈跳，產(chǎn)生電弧，但研究
表明，觸點關合彈跳產(chǎn)生熔焊，使接觸電阻
變小，而且開斷燈負載時燃弧時間最短，因
而接觸電阻低于阻性負載和感性負載。
(3)電弧特征
電弧包括金屬相短弧和氣相長弧。接
觸電阻的波動取決于電弧的持續(xù)特征，當金
屬相短弧在電弧持續(xù)時問內(nèi)占主導時，接觸
電阻較低，當氣相長弧占主導時，接觸電阻
較高L · 。Hitoshi Sugimoto等人從微觀上探
討了電孤對接觸電阻的影響，認為金屬相電
弧對表面形貌影響小，表面保持光滑，使接
觸電阻低麗穩(wěn)定，當電弧轉化為氣相時，由
于燃弧時間長，氧滲透深，表面氧化膜厚，導
致接觸電阻較高 。
2，機械參數(shù)
(1)接觸壓力
接觸壓力對接觸電阻的影響規(guī)律已經(jīng)
被大家所熟知，即在一定限度下，接觸壓力
越大，接觸電阻越小，這種影響表現(xiàn)在接觸
壓力對表面膜的影響上。較大的接觸壓力
不僅對表面膜有一定程度的破壞作用，而且
可增加觸頭接觸面積，使接觸電阻降低_2J。
3．材料參數(shù)
(1)電阻率
觸頭材料的物理性質(zhì)如電阻率、機械強
度和硬度都直接影響到接觸電阻。電阻率
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越大，接觸電阻越大。
(2)硬度
陸彪等人 】研究了觸點材料硬度對觸
點性能的影響，發(fā)現(xiàn)電觸點工作面硬度越
低，接觸電阻越低，但是在通電試驗過程中，
觸點工作面從大氣中吸附導物量隨著硬度
的降低而增大，而使硬度對接觸電阻的影響
轉化為觸頭表面的異物量對接觸電阻的影
響。
(3)組織形貌
觸頭材料的生產(chǎn)工藝不同，其組織形貌
也不同，對接觸電阻產(chǎn)生不同的影響。以
AgS．O2為例，由于Sn02粒度對材料電阻率
及硬度有影響，因此，通過對sno2粉末改
性，提高sno2粉束的導電性，控制SnO2粉
末粒度以及使sn02粉末在 基體上均勻
分布，以達到AgS．O2觸頭材料物理性能的
優(yōu)化設計，使接觸電阻降低_9J。
4．表面形貌參數(shù)
(1)表面粗糙度 ．
表面粗糙度對接觸電阻有一定的影響，
過于光滑和過于粗糙的接觸面上的導電斑
點的大小和數(shù)目都較小，因此接觸電阻較
大，而適當粗糙的接觸面的接觸電阻較小。
H．A．Frr：mcisco對觸頭表面形貌與靜態(tài)接觸
電阻的關系作了研究，認為表面凹坑增加了
金屬接觸的可目B性，分布在凹坑四周局部區(qū)
域的壓應力可穿透或去除接觸表面的絕緣
膜和顆粒，使接觸電阻下降u 0l。
(2)接觸斑點
接觸斑點對接觸電阻的影響很復雜，它
們的大小、形狀、數(shù)目與分布均對接觸電阻
有影響。 ‘
5．環(huán)境因素
(1)微振磨損
微振磨損對接觸電阻有害，在磨損期間
接觸電阻快速升高且波動很大。研究表明，
電接觸在有振動的情況下工作時，兩接觸面
之間發(fā)生微小的相對位移，使原來的清潔導
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電表面暴露于空氣中而被氧化，使導電斑點
減少。同時，接觸面位移所產(chǎn)生的剪切力使
氧化膜撕碎，剝離，堆積在導電斑點附近，形
成局部絕緣層，從而使接觸電阻上升。．氧化
膜的不斷形成，剝離和堆積同時也造成接觸
電阻的波動_I 。
(2)表面膜
表面膜所產(chǎn)生的膜電阻是接觸電阻的
組成部分，備受研究者的關注，他們從氧濃
度、電弧氧化等方面對其作了研究。Zhuan
— ke Chen[5]在對船觸頭和Pd觸頭的研究
時發(fā)現(xiàn)，她觸頭接觸電阻受氧濃度的影響。
當氧濃度達到臨界值時，在觸頭表面形成氧
化膜，使接觸電阻增大，而Pd觸頭接觸電阻
與氧濃度無關，并進一步驗證接觸電阻的上
升是由于氣相陽極表面氧化物引起的，氣相
電弧持續(xù)時間越長，陽極表面氧化越嚴重，
接觸斑點中心氧化膜的增厚，導致接觸電阻
上升。Sat~hi‰ 0L J等人比較了空氣和
真空中加熱后觸頭表面的接觸電阻，也證實
了接觸電阻的增大是由氧化引起的。
(3)污染粒子、有機蒸汽
Li Kui[1l對具有污染粒子的觸頭表面的
接觸電阻進行了測量，發(fā)現(xiàn)隨著測量電流的
增大，接觸電阻下降，但繼電器動作幾次后，
接觸電阻又回到原始狀態(tài)，他認為這是由于
電流增大后，作用在污染粒子上的電磁力增
大，使它們與表面分離，因而接觸電阻下降。
由于污染粒子并未磨損，在觸頭開閉數(shù)次
后，污染粒子又分布在接觸表面上，從而導
致接觸電阻回復。
有機材料在觸頭開閉過程中產(chǎn)生有機
蒸汽，蒸汽中的碳在觸頭表面堆積會導致接
觸電阻的顯著上升【13,1 ，Shlngo ShlmadaE j
則認為不見得所有的有機蒸汽都會對接觸
電阻造成不良影響，不同類型的有機蒸汽對
接觸電阻的影響不同，雙鍵有機蒸汽使接觸
電阻上升，而含氧的有機蒸汽對接觸電阻影
響很小。這是由于在雙鍵有機蒸汽中，黑色
粉末在斑點狀磨損區(qū)聚集，導致接觸電阻的
上升；而在含氧有機蒸汽中，觸頭表面太面
積磨損，黑色粉末在磨損區(qū)邊界堆積，對接
觸電阻的影響不大。
接觸電阻的影響因數(shù)眾多，給接觸電阻
的建模帶來一定困難，因此，歸納、分析、整
理各因素對接觸電阻的影響，有助于建立綜
臺完善的接觸電阻模型。
三、接觸電阻模型的發(fā)展
建立電接觸接觸電阻模型就是用數(shù)學
方法對電接觸的物理現(xiàn)象進行描述，分析電
接觸內(nèi)表面接觸斑點的形成及其大小、數(shù)目
和分布，推斷電參數(shù)、環(huán)境因素、材料參數(shù)、
表面形貌參數(shù)以及外力對接觸電阻的影響，
從而計算接觸電阻。這對于預測電器開關
設備長期工作時電接觸接觸電阻的變化規(guī)
律，或者通過選擇和控制某些參數(shù)，或者采
取某種措施來保證接觸電阻低而穩(wěn)定有著
實際的指導意義。
接觸電阻的模型一般分四類：一類是經(jīng)
驗公式，如見：aF～ ，a一比例系數(shù)，m 一
指數(shù)，F(xiàn)接觸負載。類似這樣的經(jīng)驗公式很
多，由于各研究者進行試驗的條件有所不
同，式中的參數(shù)選擇各不相同，所得的結論
也不同，只能適于各自特定的條件，計算結
果離散性較大，因此這類公式帶有一定的局
限性。二是Hohn模型，即 =p／2a，p一
接觸材料的奄阻率，o一接觸導電斑點半
徑。它是經(jīng)典的接觸電阻模型，其表達式簡
單明確，至今仍為分析接觸電阻的理論基
礎。但是Holm模型的假設條件過于理想
化，與實際情況差距較大，對膜的影響也幾
乎未考慮進去，而且式中的微觀參數(shù)難以確
定，無法直接用于工程計算。在H0lIn模型
的基礎上，許多研究者考慮了表面膜對接觸
電阻的影響，建立各自靜模型。這就是第三
類模型— — 數(shù)理統(tǒng)計模型。MaluceiE峨提出
了接觸電阻三級收縮模型，即電流線分別在
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大接觸斑點群、接近接觸斑點群以及導電斑
點群產(chǎn)生大收縮、次收縮和徽收縮，三級收
縮電阻在電路上是串聯(lián)的，而各次收縮和微
收縮電阻則是并聯(lián)的。在這一構想的基礎
上，考慮了膜的因素，在微振氧化的條件下，
用統(tǒng)計的方法導出了接觸電阻的數(shù)學表達
式：
R=昔+P／Σ
其中
p一接觸材料電阻率，
D—導電斑點集中區(qū)直徑，
導電斑點敬集中區(qū)直徑，
c—常數(shù)．取4／3， ’
f ， Hi NI‘一¨ 一1
了 — ]『-
{一表面膜厚度，
皿—第i個微凸丘最大可能的變形量．
微凸丘變形次數(shù)，
k---o一1之間時間常數(shù)。
與Holm模型相比，它多了后面一項，即
引人了表面膜的干擾效應，當不存在表面膜
時，后一項為0，公式變?yōu)?：p／D，與
Holm模型完全相同。建立在數(shù)理統(tǒng)計方法
上的這類模型，其假設條件比Holm模型朝
實際情況靠近了一步，建立了接觸過程中微
觀參數(shù)與宏觀參數(shù)之間更為詳細的關系。
但是由于公式中許多系數(shù)和參量在不同的
實際運行條件下仍難以確定 特別是不同條
件下膜的生長與性質(zhì)，凸丘變形和膜破裂的
規(guī)律都不甚清楚，因而，離實際應用還有很
大的差距。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，電
接觸現(xiàn)象研究的不斷深入，電子計算機在電
接觸領域的應用，計算機模擬及數(shù)值分析方
法已成為電接觸接觸電阻模型研究的發(fā)展
趨勢。因此出現(xiàn)了第四類模型——有限元
模型。以接觸電阻的數(shù)理統(tǒng)計模型為基礎，
針對電氣設備中兩粗糙表面固定接觸模型，
林晶等人 J考慮多斑點及其相互干擾的問
題，建立接觸電阻數(shù)學模型，該模型能反應
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接觸電阻受接觸斑點尺寸，數(shù)目及分布的影
響情況，尤其是受斑點分布的影響。利用所
建的模型對接觸斑點微觀參數(shù)及接觸電阻
進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)理論計算值與實測值
有較好的吻臺性。并借助計算機基本實現(xiàn)
了兩接觸表面受外加接觸力時，接觸內(nèi)表面
接觸斑點尺寸、大小、數(shù)目及分布的變化的
計算機仿真。李奎則提出了含膜觸頭接觸
電阻有限元計算模型，并計算了單斑點下，
含膜觸頭靜態(tài)接觸電阻的計算結果與理論
非常接近。
從Holm模型建立至今已有半個多世紀
了，雖然許多研究者作了大量的工作，建立
了許多接觸電阻模型，但是現(xiàn)有的模型不是
假設條件過于理想化，就是模型中的一些參
數(shù)或系數(shù)難以確定，離實際應用尚有一定的
距離。為了建立完善的符合實際情況的接
觸電阻模型，今后的工作應該是：(1)研究接
觸電阻的影響因素；(2)研究不同因素對接
觸電阻的影響規(guī)律；(3)根據(jù)影響規(guī)律導出
含有材料參數(shù)、接觸形狀、表面粗糙度、外加
接觸力等已知參數(shù)的接觸電阻模型；(4)利
用計算機進行仿真。
四、結語
為了獲得低而穩(wěn)定的接觸電阻，應從系
統(tǒng)的觀點出發(fā)，既考慮觸頭系統(tǒng)本身的因
素，如觸頭的結構、尺寸等，又考慮外界環(huán)境
對系統(tǒng)的影響，如振動、腐蝕等等，從內(nèi)部控
制到外部改善來達到目的。所謂的內(nèi)部控
制，指的是調(diào)整觸頭系統(tǒng)本身的參數(shù)，進行
優(yōu)化設計。外部改善是指在觸頭外部涂覆
助接觸劑等方法來降低接觸電阻，改善接觸
品質(zhì)；并從理論上建立接觸電阻模型，分析
系統(tǒng)長期工作時電接觸接觸電阻的變化規(guī)
律，預測系統(tǒng)的壽命，對于提高系統(tǒng)可靠性
是極其重要的。
參考文獻
[I]Li Kui The app~ach topr~licalictl 0f c~tact rdJal~l
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上海博威電力設備有限公司
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本公司系以制造“博威”牌互感器為
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傳真：021—67630892
聯(lián)系人：張秀東
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