首先,我們要知道為什么要在導(dǎo)體表面做鍍一層其他金屬?因為一個連接件的性能基本上由其表面上發(fā)生的現(xiàn)象決定,例如表面污染、氧化、二次氧化、硫化物的形成、腐蝕等。這些表面的污染增加了接觸電阻并且對連接可靠性有害。因此, 保證接觸面的接觸電阻處于較低水平且長期穩(wěn)定是實現(xiàn)可靠連接的前提 。
通過在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)母淖冨儗拥暮穸群凸に嚳色@得鍍層的不同性能,例如在銅母線或者銅端子上鍍上低電阻材料(銀、錫等)來降低接觸電阻,而且相對于裸銅可以保證接觸電阻長期穩(wěn)定。
其次,為什么銅會選擇鍍銀、鍍錫或者鍍鎳呢?因為裸銅在空氣中容易生成電阻率很高的氧化亞銅(氧化亞銅的電阻率為5x10^8Ω.m,而純銅的電阻率為0.0175x10^(-6)Ω.m),且生成的厚度與溫度和時間有關(guān)。
大氣中的銅,在開始一段時間內(nèi)金屬-金屬接觸的電阻比較低,但是由于大氣中氧的存在,持續(xù)的氧化過程會使接觸電阻迅速增大,會導(dǎo)致搭接面過熱,容易引發(fā)火災(zāi)等安全事故,所以如果是純銅搭接,在搭接前需要提前打磨接觸面上氧化層,以保證低的接觸電阻。
錫、鎳和銀(在不含硫的環(huán)境)的氧化物隨時間生長的厚度較低,且溫度影響不大,尤其是銀的氧化物對接觸無影響,所以從鍍層材料性能看,銀無疑是最優(yōu)的,見下表1。
表1 常見接觸材料的氧化能力
銅鍍銀對于保證接觸面低電阻率和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯,但是遇到含硫容易變色,給使用者一種錯覺,容易造成誤解,那能否直接全部改為鍍錫或鍍鎳呢?
我們先回顧下GB 14048.1-2012 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則中關(guān)于端子溫升的要求,見下表2。對于裸銅端子,其溫升極限為60K,鍍錫端子為65K,鍍銀或鍍鎳端子為70K。
表2 端子的溫升極限
在福州大學(xué)張冠生教授的《電器學(xué)》和GB/T25840-2010 規(guī)定電氣設(shè)備部件(特別是接線端子)允許溫升的導(dǎo)則等材料中,關(guān)于導(dǎo)體載流量與溫升的關(guān)系是: 溫升與電流的p次方成正比 。p值取決于導(dǎo)體的表面散熱系數(shù),通常在1.5到2之間,一般取平均值1.76。
溫升允許值越高,說明導(dǎo)體允許流過的電流越大 。基于上述理論,我們將相同規(guī)格的裸銅、銅鍍錫、銅鍍銀端子的載流能力對比如下表。
通過對比會發(fā)現(xiàn)銅鍍銀后其“允許通過的電流”相對于裸銅增加了近20%,所以在不改變導(dǎo)體規(guī)格的前提下,僅僅通過改變鍍層,就可以獲得“允許載流能力”的提升。
舉一個更實際點的例子,假如某特定規(guī)格的裸銅端子按照GB14048.1溫升要求,其允許通過的電流為1000A(溫升不超過60K),將銅端子鍍錫后,其允許通過的電流可以提高到1080A( 溫升不超過65K ),將端子鍍銀后,其允許通過的電流將變?yōu)?170A (溫升不超過70K)。反過來,假如電流保持不變,端子鍍層變化,那端子的規(guī)格會如何變化呢?請讀者自行思考。
你是不是發(fā)現(xiàn)鍍銀后端子的“載流能力”提高了,其實更應(yīng)該理解:**在滿足國標(biāo)溫升的前提下,鍍銀端子“允許通過的電流 值 ”提高了,**因為鍍銀端子可以在更高的溫度下運行。
盡管銅鍍銀在含硫環(huán)境甚至在大氣中含硫微量硫氣體的情況下,隨著時間變化會生成導(dǎo)電性差的硫化銀,但是只要在未發(fā)生硫化前搭接,其搭接面接觸電阻不會受到硫化銀的影響。只有儲存時間過長已經(jīng)變色的鍍銀端子,才需要在與銅排連接前對端子進(jìn)行處理。
鍍錫固然可以避免由于硫化產(chǎn)生的變色現(xiàn)象,但是其“允許載流能力”降低了。對于鍍鎳,雖然其“允許載流能力”與鍍銀相同,但一般不怎么常見,只有在鍍銀不適用的場合(含硫氣體環(huán)境)時才會采用鍍鎳,且對于搭接時螺栓的緊固力矩要求更高,因而其成本不低。
文章結(jié)尾我們總結(jié)下:銅端子表面鍍錫或鍍銀是為了保持長期穩(wěn)定的、更低的接觸電阻,保證搭接處溫升穩(wěn)定。從溫升的角度看,鍍銀和鍍錫后,其“允許通過的電流值”提高了,有利于節(jié)省貴金屬。
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接觸電阻
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關(guān)注
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