【VIP专享】第二部分 接触电阻的基本概念

第 1 页 共 6 页 驳克码（MARECHAL）点接触式工业插座技术资料之二： 第二部分 接触电阻的基本概念 所有的电气工程师都知道，电流越大，必须使用越粗大的电缆。有些人自然认为接触的面积应该等于导线的横截面面积。 实际上，两个表面真正直接相接触的面是由一些点构成的，由于材料表面的不平整性，真正的接触面积要比宏观上看到的接触表面要小。 唯一容易测量的值是整体作用在接触面上的力。这个力会被分解到三个（保持稳定位置需要的最小的斑点数）或更多个的接触斑点上。 无论怎样努力去扩大接触面积，但电子磁力线只通过两个接触导体之间有限的几个斑点上，这些斑点的总面积实际上比宏观上的接触面要小。电子通过“欧姆系统”( Ohmic system)（“清洁”接触，金属对金属）、隧道效应或热电子效应（fritting voltage烧结电压）进行传输 ,具体采用哪种传输方式由受材料的氧化和污染产生的表面绝缘层的厚度来决定。 世界上所有开关设备的制造商都使用银合金的接触点，通常是半球形的，而且把重点放在施加的力上而不是放在假定的接触面积上。而且这种方法理念在接触器以及断路器制造业中得到广泛采用。从这个方面讲，插头和插座是一个例外。 §2.1 2.1 物理概念物理概念物理概念 无论使用哪一种接触，接触导体的不连续性会产生一个附加的电阻（称为“接触电阻“）。在没有接触的情况下,这个电阻比接触的两方中的一个的电阻要大。 这个电阻的阻值将决定接触的质量，因为：接触电阻阻值越高，则接触电阻上的压降越大，因而接触点释放的热量将越多。如果温度上升到一定的极限，接触点就会损坏。因为温度越高，损坏的速度就越快，这种现象会很快蔓延。 一个接触点的状态（它的阻值）主要由以下两个参数决定： 󰂾 接触表面的状态 󰂾 所施加力的作用 §2.2 2.2 接触表面的状态接触表面的状态接触表面的状态 接触表面的状态由以下三个参数决定了：（图7） 󰂾 它的物理化学结构 从微观角度来看，一个表面的物理化学结构是非常复杂的，周围环境中的外来元素与材料发生反应形成一个表面层，通常称为“侵蚀层”。

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图7： Layer made of foreign elements（外来物质层）Layer resulting from inter-action with the material（与材料相互作用形成的层）Physico-chemical structure（物理化学结构）Roughness（粗糙度） Macroscopic shape(宏观形状) 󰂾 它的粗糙度 一个表面的粗糙度也是复杂的，表面的粗糙度由所采用的生产加工技术所决定，而且通常具有随机性。它引入了材料挤压压力这个概念。 󰂾 它的几何形状 从宏观角度来看，一个接触表面的几何形状是比较容易确定的。这个形状将决定在两个表面之间可见的接触面积。 §2.3 接触电阻的求值 由于材料的粗糙度，实际的机械接触不是发生在整个可见的接触面上。机械接触只发生在一定数目的小点上，称为“元素接触点”(elementary contacts)。 接触电阻由两部分组成： 󰂾 约束电阻(constriction resistance) 󰂾 薄膜电阻(thin film resistance)

图 8 图8：Electric contact spots（电接触点）Actual mechanical contacts（实际机械接触点）Visible contact area（视觉看到的接触面积） 约束电阻 约束电阻是由于当电流线穿过一些“元素接触点“处产生偏移而造成的。（图9）

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图 9 薄膜电阻 薄膜电阻是由于接触表面上的污染或氧化层造成的。 由此我们得出结论，接触电阻的总值由以下几点因素决定： 󰂾 接触点的几何形状（几何形状决定了接触点的可见接触面积）， 󰂾 施加的力， 󰂾 材料的电阻率， 󰂾 材料的硬度和粗糙度， 表面层的导电系数，尤其是在表面被侵蚀的状态下。

图 10 10 §2.4 2.4 接触腐蚀接触腐蚀接触腐蚀 接触腐蚀是接触点质量的一种恶化，这是由于在两个接触面之间摩擦及微观运动造成磨损和在材料表面的微孔里积累的氧化微粒所造成的。 这些微观的移动是由于振动，冲击，或者在不考虑外界因素情况下由于材料的热膨胀而产生的。 这些氧化颗粒构成了一种“第三者“材料。 接触腐蚀机理有以下四个主要步骤： 1） 在黏附力作用下，产生磨损微粒，

第 4 页 共 6 页 2） 这些磨损微粒在表面的微观小孔里氧化并积累， 3） 被氧化的微粒从临近的小孔中冲出， 4） 形成一层薄的碎片，这层碎片然后转化为粉末，这种粉末起到润滑剂的作用，减少磨损的效率。 §2.5 2.5 材料的影响材料的影响材料的影响 接触材料的选择当然是最重要的。当施加的力为一常量时，以下的表格给出了最通用的材料在两种不同情况下所测得的接触电阻： 󰂾 全新 󰂾 生锈或氧化后 接触电阻 材料 全新 生锈或氧化后 银 6 uΩ 25 uΩ 金 31 uΩ 31 uΩ 铜 29 uΩ 400 uΩ 黄铜 370 uΩ 1400 uΩ 银镍85/15合金 23 uΩ 60 uΩ 表2：不同材料的接触电阻 1． 银 从所有可以从市场上购买到的金属来看，银金属具有最低的接触电阻。由于氧化银Ag2O也是一种好的导体，因而银金属不受湿气或者干燥空气的影响,而且甚至在高温或者失去光泽后都能保持优良的电特性。在低温情况下产生的硫化银（Ag2S黑银）电阻性稍微强点，但它并不稳定。硫化银会在 300摄氏度（570华氏度）下消失，它在电弧作用下很容易除去。银金属由于具有非常低的接触电阻，在高电流情况下尤其受欢迎。但另一方面，由于银是软金属，容易磨损。银金属不能承受重复的电弧，因为重复的电弧会将银汽化挥发掉，而且银需要在相对低的压力和温度下进行焊接。因而，银金属不适合用于“开关“设备。 2．金 金具有很低的接触电阻，而且它的接触电阻不会随时间变化，并且在通常情况下金不会被氧化。除了采用固态金金属的经济效益不可行以外，从机械的观点来看，金具有同银一样的弊端。 3．黄铜 黄铜（铜与锌按不同比例合成的金属）是相对比较便宜的材料，这种材料确实适合根据具体应用将零件加工成要求的形状。但是，黄铜也是以上所列材料中最次的。由于其中的锌是一种导电率较弱的材料，因而全新的黄铜就已有很大的接触电阻，但是当黄铜中的

第 5 页 共 6 页 铜被氧化以后，黄铜就完全没有用了。另外，黄铜不能耐电弧，而且很容易在磨檫下磨损。 4．铜 铜比黄铜要贵，也比黄铜难加工。但是，当需要高导电率的材料时，会考虑选择铜。跟黄铜一样，铜也容易在环境温度下氧化，而这会使接触电阻大大地增加。当将铜暴露于常见的污染物质，如氧化硫、氧化氮、酸性物质（即使浓度较低）， 或者卤素物质时，将会在铜的表面生成一层具有高电阻性的氧化亚铜（Cu2O）。在电弧作用下，表面的氧化亚铜斑将被进一步氧化而变得不能使用。而且，本质上来讲，铜不利于快速熄灭电弧，而且它不同于其他材料，它的阴极点会停留在一个稳定的位置，从而禁止它的电压增大，这种“稳定”会大大地增加铜斑的生成。 在真空，氖气或者氟化硫密封的情况下，铜的氧化可以完全被消除。而且在密封情况下它的性能可以跟在空气中的银合金相当。然而，这种密封要求对于插头和插座是不可能。在空气中，铜以及铜合金由于会生成电阻性的表面层，因而在开关行业中，铜以及铜合金在没有电镀的情况下从未作为接触材料使用。即使对于低成本的MCB（小型断路器）也没有采用铜作为两边的接触材料，为了防止熔接，在铜材料上的接触材料通常采用碳化银（AgC）。 例如，作用在公车上的非电镀铁条固定焊接处的力矩需要得到精确监控，这个力矩要高到能够达到气密性接触，但是又要必须低于材料的回弹力系数。为了防止侵蚀，这些焊接处的外围也需要一些保护。 新铜的电阻很低，但随着时间的推移，当铜开始被氧化后，它的电阻就会大大地增加。氧化亚铜（Cu2O）是一种较差的接触材料。因为温度达到100-120℃/210-250℉后，氧化亚铜（Cu2O）就会转化生成氧化铜（CuO），这时接触点就不能用了 厚度（10-10M） 温度 1 000小时后 100 000小时后 20 21．7 37 55 35 170 60 39 210 85 87 690 100 150 1300 表3：铜表面上的氧化亚铜厚度随时间和温度的变化 5. 铜铍合金 铜铍合金有时用来做接触膜片插头，这种插头被放在接触导管内。铜铍合金跟铜相比的优点是具有更大的回弹力和更好的磨檫系数，从而减少磨损并使引脚上的电镀层使用更久。然而，它的电阻率可以跟黄铜的电阻率相当。这种膜片插头的缺点是需要两对接触点：一对是在引脚与膜片插头之间，另一对是在膜片插头及与夹住它的接触导管之间。

第 6 页 共 6 页 6. 银镍合金85/15 银镍合金AgNi85/15（银占85%，镍占15%）将银金属突出的接触性能和镍金属优良的机械特性相结合。银镍合金只有在极高的压力和温度下才熔接，因而耐电弧性非常好。在重复的电弧作用下，银镍合金也会逐渐磨损，而这种磨损可以看做是接触点的正常损耗。因而，银镍合金AgNi85/15就是我们为大多数接触点制造商选用的材料。 所有的开关制造商都普遍使用银镍合金，基于考虑到银镍合金的在以下各方面优良的性能表现： 󰂾 机械耐力； 󰂾 表面的电特性； 󰂾 抵抗金属微粒从一个接触点传到对应的另一接触点的能力； 󰂾 抗熔接（静态和动态）的能力； 󰂾 在电路通断下抗电弧侵蚀的能力； 󰂾 抵抗慢性侵蚀的能力； 󰂾 较强的后电弧介电能力，它能缩短电弧的平均维持时间； 󰂾 电弧在接触点上的迁移率。 抵抗金属微粒从一个接触点传到对应的另一接触点的特性能够防止已被侵蚀的金属颗粒在电弧室内的积累，并防止会损坏介电能力的导电层的生成。这种特性对于小尺寸的产品尤其有利，因为在小尺寸的产品中空气和漏电处的距离非常小。 考虑到其他一些特殊的性能，目前在开关制造业中也会使用以下材料： 󰂾 碳化银（AgC） 󰂾 银锡氧化物（AgSn O2） 󰂾 银钨合金（AgW） §2.6 2.6 接触压力的控制接触压力的控制接触压力的控制 接触压力是另外一个能够决定接触点质量的主要参数。当插头插入插座时需要施加一个最小的力。在用滑动的插针与套管式的接触点的情况下，这个施加力通常由分裂套管的回弹力产生的，也可能是由工作于拉伸状态下并且围绕在套管上的弹簧来产生的。考虑到容差，这样的弹簧无法用比较经济的方法来标定其弹力系数，而且尤其是当你将来自某一制造商的插头插入来自另一制造商的插座时，想要精确地控制所需施加力的最小值是不可能。同时接触压力能够长期保持稳定也是非常关键的。

图11：插针套筒式插头插座插拔力和作用到接触点上的力的方向 Forces applied to the contact（作用在接触面上的力）Insertion force（插入力）Withdrawal force（拔出力）