世界上最安全的工业插头插座 导体的接触面积和接触电阻 深圳市爱博电气有限公司 侯野飞/李兵 （摘要：在电流的传输过程中两个表面宏观接触表面应该等于导线的截面面积，两个导体真正相接触的部分只是 一定数量的点，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。 关键词：接触电阻，驳克码） 在我们给客户讲解产品的过程当中有一个经常被问到的问题，“你们这种触点连接的插头插座，导体截面积够吗？”，“触点连接比插针套筒连接的接触面积小，能保证连接可靠吗？”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截面面积，因而对电气连接器的可靠性提出怀疑。实际上，两个表面宏观接触表面应该等于导线的截面面积，两个导体真正相接触的部分只是一定数量的点，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。（图2） 优质的开关设备产品大都采用用银合金的接触点，通常触点是半球形的，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。种概念在接触器或者断路器制造业中得到广泛采用。从这个意义上讲，插头和插座是一个例外。 1．接触电阻的物理概念 无论使用哪一种接触，导体接触的不连续性会产生一个附加的电阻——称为“接触电阻”）。这个电阻比接 触器自身的电阻（在没有接触面存在时）要大。这个电阻值将决定连接的质量，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。温度越高，损坏就越快，这种现象会迅速蔓延。 图1 接触点接触电阻主要由以下两个参数决定： l 接触表面的状态 l 所施加力的作用（图4） 1．1 接触表面的状态 三个主要参数决定了接触表面的状态：（图1） l 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”。 l 表面的粗糙度 一个表面的粗糙度是复杂的，表面的粗糙度由所采用的生产技术所决定，而且通常具有随机性和不可重复。它引入了材料挤压压力及塑性变形的概念。 l 表面的几何形状 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宏观的接触面积。 图2 1．2 接触电阻的值 由于材料钢性及粗糙度的影响，实际的机械接触不是发 生在整个宏观的接触面上。机械接触只发生在一定数目的接 触点上，称为“元素接触点”。 接触电阻有两部分组成： l 约束电阻 l 薄膜电阻 图3 1．2．1 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3） 图4 ：典型接触电阻变化，所作用力的函数 F：力， Rc：接触电阻 1．2．2 薄膜电阻 薄膜电阻是由于在接触表面上的污染或氧化层造成的。 由此我们得出如下结论，接触电阻的总值由以下几点 决定： l 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）， l 两个导体间施加的压力， l 材料的导电率， l 材料的硬度和粗糙度， l 表面层的导电系数，尤其是在表面被侵蚀的状态下。 1．3 磨损 磨损是接触点质量的一种恶化，这是由于在两个接触面之间微观运动磨损微粒和磨损微粒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第三类材料。 磨损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， 2． 这些磨损微粒在表面的微观小孔里氧化和积累， 3． 被氧化的微粒由于接触面的磨擦运动从小孔中飞出， 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。 材料 接触电阻 新材料 氧化后 银 金 铜 黄铜 银镍85/15合金 6 uΩ 31 uΩ 29 uΩ 370 uΩ 23 uΩ 25 uΩ 131 uΩ 400 uΩ 1400 uΩ 60 uΩ 表1：不同材料接触电阻 2．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： l 全新 l 生锈或表面氧化后 2．1 银 从所有可以购买到的金属来看，银金属具有最低的接触电阻。由于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。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，而且它可以在电弧作用下除去。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。 2．2 金 金具有很低的接触电阻，而且这个接触电阻还不会随时间变化，因为金在通常情况下不会被氧化。除了金的经济成本不可行以外，从物理性质的角度来看，金还有同银一样的弊病。 2．3 黄铜 黄铜（铜与锌按不同比例合成的金属）是比较合算的材料，它确实适合将零件加工成具体应用要求的形 状。不过，黄铜也是以上所列材料中最次的。由于锌是一种导电率较弱的材料，因而全新的黄铜有很大 的接触电阻，但是当黄铜中的铜氧化以后，黄铜就没有用了。另外，黄铜不能耐电弧，它很容易在磨檫 下损坏。 2．4 铜 铜比黄铜要贵，机械加工差。但是，当需要更高的导电率时，会选择铜。跟黄铜一样，铜容易在环境温度下氧化，因而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，表面的铜斑将被进一步氧化而变的不能使用。而且，本质上来讲，铜不利于快速灭弧，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，氖气或者六氟化硫密封的情况下，铜的氧化可以完全被消除。而且他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，它们在没有电镀的情况下从未作为接触材料在开关行业中使用。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，通常将碳化银（AgC）作为接触材料跟铜一起使用。 例如，需要精确监控作用在公共汽车上非电镀铁条固定焊接处的力矩，这个力矩要高到能够达到气密性 接触，但是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。 温度 厚度（10-10M） 1 000小时后 100 000小时后 20 55 60 85 100 21.7 35 39 87 150 37 170 210 690 1300 表2：氧化铜厚度随时间的变化 新的铜电阻很低，但当铜开始被氧化后， 随着时间的推移，它的电阻就会大大地增加。 氧化亚铜（Cu2O）是一种差的接触材料。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。 2．5 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个接触点：一个是在引脚与膜片插头之间，另一个是在膜片插头及与夹住它的接触导管之间。 2．6 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。银镍合金只在非常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，银镍合金会逐渐磨损，接触点可以被看成是自耗零件。因而，这就是大多数接触点制造商选用的材料。 考虑到银镍合金的以下性能，大多数开关制造商都使用银镍合金： l 机械耐力； l 表面的电特性； l 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； l 抗熔接（静态和动态）的能力； l 在电路通断下抗电弧侵蚀的能力； l 抵抗慢性侵蚀的能力； l 较强的后电弧介电能力，它能缩短电弧的平均维持时间； l 电弧在接触点上的迁移率。 考虑到一些特殊的性能，目前在开关制造业中也会使用以下材料： l 碳化银（AgC） l 银锡氧化物（AgSn O2） l 银钨合金（AgW） 3。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小的力。在用分裂插针与分裂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，而且一般可能是用工作于伸长状态下并且围绕在套管上的弹簧来具体实现的。考虑到容差，这样的弹簧无法用比较经济的方法来标定，而且尤其是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（图5）。接触压力能够长期保持稳定对电气连接的可靠也是非常关键的。 图5 唯一容易测量的值是整体作用在接触面上的力。这个力会被分解到在三个（保持稳定位置需要的最小的支撑 点数量）或更多的接触斑点上。 无论怎样努力去扩大接触点的面积，但电子磁力线只通过两个接触导体之间有限的几个接触点上，面积实际 上比宏观上的接触面要小。电子传输形成 “欧姆系统”( Ohmic system)（“清洁”接触，金属对金属）， 或者由于受材料的氧化和污染产生的表面绝缘层的厚度的影响，电子利用隧道效应或热电子效应（fritting voltage 烧结电压）进行传输 。驳克码电气连接器（插头、插座）是基于在相同接触点面积上利用较好的接触压力来实现连好的电气连接。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 不好意思，关键的图片贴不上来，有兴趣的同学可以联系： 深圳市爱博电气有限公司　　ＴＥＬ：０７５５－２６７８６１５０　２６７８６０２３ 或登陆：www.marechal-electric.com, 查看详细产品资料 该插头插座完全不同于传统的工业CEE形式的连接器,利用了凸轮开关的弹簧原理,带负载断开的安全性等同于优质凸轮开关,断开时间15豪秒. ----------------------------------------------