控制与保护开关中微动磨损原因与分析
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摘 要：控制与保护开关作为智能电网里低压电气智能控制系统中的重要组成，其寿命对系统的安全性及稳定有着重要的意义，本文通过对不同工况条件下，触头接触电阻的不同变化，及不同环境条件下，对触头微动磨损性能的影响，都进行了一一分析，本文对控制与保护开关的生产者及智能电网的建造都有着一定的借鉴意义，对评估其他产品里触头的电接触性能和使用寿命也提供了一定的参考意义。
关键词：控制与保护开关;接触电阻;环境因素;微动磨损
1 引言
随着电子、通信、嵌入式等技术的发展及市场的需求，电力系统对电网及用电设备运行的安全、智能及可靠性等要求也越来越高。智能电网概念的出现，对控制、保护、监控和通信等功能也提出了新的要求。控制与保护开关（Control and Protective Switching Devices，CPS）作为低压电气智能控制系统中需继续进一步研究的重要组成，既能控制电力系统的接通、承载和分断，又能保障配电网络与工业设备如电动机等免受短路、过载、欠电压等不利影响，其寿命对整个系统的安全性和稳定性会产生重要影响。由于触头故障是导致控制与保护开关设备失效的最重要原因之一，通过对触头故障原因进行研究分析，接触区域的微动磨损是导致严重的电接触失效（接触电阻骤升、断路等）的主要原因。控制与保护开关中触头微动磨损位置与后果，见图1。
图1中（a）是控制与保护开关触头位置示意图，图（b）是控制与保护开关内部结构示意图，图（c）是触头结构微动磨损区域结构图，图（d）是控制与保护开关触头磨损严重导致电路短路引起火灾后的触头结构。
本文从不同的试验参数、不同的环境（温度、湿度、含氧量等）、触头表面光滑度等进行了具体的分析。
2 控制与保护开关中不同的工况条件下对触头接触电阻影响的主要原因分析
第一，通过对控制与保护开关设备中触头故障原因进行研究分析，接触区域的微动磨损是导致严重的电接触失效（接触电阻骤升、断路等）的主要原因之一。控制与保护开关中触头接触电阻在不同的工况条件下是不同的，以下就接触载荷、接触区域位移、通过电流的大小进行一一分析对其影响。
在触头接触载荷较大的情况下，触头接触良好，接触面积较大，导电面积的有效区域增大，电流流通的路径也增加，接触电阻就会降低。在有载荷的触头接触时，灰尘、工作过程中产生的碎屑等就不容易进入触头接触面，无法对其导电产生副作用，所以在载荷比较大的情况下触头导电性能较好。但是当触头接触载荷增大到一定的程度后，触头接触电阻就不再随着载荷的增大而下降，而是稳定在一个比较小的电阻值，所以适当的触头接触载荷会减小接触电阻，但是过大的载荷会破坏触头的机械结构，降低使用的寿命。
第二，在触头接触载荷相同的条件下，触头接触区域如果产生位移，就会产生碎屑，碎屑产生量的多寡与位移的大小成正比。相对较大的位移幅值可在接触副的接触界面产生磨屑，磨屑的产生量与位移幅值成正比。接触面一旦发生严重的磨损及氧化后，会导致触头接触电阻的急剧上升从而影响导电性能的稳定性和可靠性。
第三，在触头接触载荷和相对位移不变时，通过的电流越大，接触电阻也越小。这是因为电流过大容易击穿触头接触表面由于氧化形成的保护膜，从而大大降低了触头间的接触电阻。
3 控制与保护开关中环境因素对触头微动磨损性能的影响
控制与保护开关中触头微动磨损也受环境因素的影响，这其中有温度、湿度、氧气浓度等，下边就这三个方面对触头磨损的影响进行一一分析。
首先，温度对触头磨损的的影响主要是：一是加快了触头表面氧化或腐蚀的速度，另一个是降低了触头的机械性能。触头接触区域的氧化作用会随着温度的升高而加快，这个温度的升高通常是由外界环境和微动引起的。触头表面本省的阻抗就比较高，氧化速度加快以后，伴随着微动动作，就会反复形成氧化绝缘层保护膜，当这层绝缘保护膜超过一定厚度之后，就会从触头表面剥离，导致接触阻抗急剧上升，使本身导通的电路断路，这就外在显现控制与保护开关断路，出现故障。
所以在控制与保护开关中触头表面许多采用具有较强抗氧化作用的贵金属材料，如金、银、铂等，这些贵金属涂层可以有效提高触头的导电性能。而且这些涂层具有良好的机械性能，收到温度系数的影响较小，就算在高温环境下，摩擦系数也有小于普通的金属材料，减小了接触面的绝缘保护层剥落的可能性，减小了电路间歇性断路的概率，不容易造成事故。 最后，温度波动会影响金屬材料的电导率，这与这与温度也是有关系的，但现在没有结论证明其比例关系。
其次，湿度也对控制与保护开关中的触头磨损及接触电阻有影响。在正常湿度环境下工作时，触头在开关过程中会发生磨损，接触区域产生金属碎屑，增大了接触电阻，如果相对湿度增加后，空气湿度增大，水分子接触磨损的金属碎屑，一是会将触头表面的裂纹粘合，二是将碎屑凝聚成导电斑，增大电流的流通路径，从而降低了接触电阻。因此，相对较高的湿度，对控制与保护开关是有正面意义的，但是如果湿度过大之后，就会在触头断开状态时发生击穿现象，导致电路短路。因此，湿度的相对保持对控制与保护开关的寿命是有必要的。
第三，在不同含氧量的条件下（主要考虑海拔不同状况下）时，当氧气浓度较高，触头微动相对位移达到一个阈值时，会发生电路间歇性断开，而且此现象时间的长短与位移成反比。这是因为，氧气浓度较高时，触头表面会生成相对较多的氧化铜与一氧化二铜，其中氧化铜是绝缘的，一氧化二铜是半导体，这两种物质增加后会导致接触电阻增大，直至出现断路现象。但是在持续的工作过程中，此氧化层会从接触区域表面剥落，形成磨损碎屑在触头表面堆积，形成局部的绝缘层，导致开路现象。
因此，对于使用要求较高时，可以将控制与保护开关中触头区域建成密闭空间，可以充入氮气作为低氧环境的保护层。
4 总结
本文针对当前电力系统中智能电网的新要求，提出了控制与保护开关的智能稳定性及寿命的重要性，通过对控制与保护开关中不同的工况条件下对触头接触电阻影响如接触载荷、接触区域位移、通过电流的大小等进行了一一分析，得出影响的结论，在第三部分中，分析环境因素如温度、湿度、环境环氧量等对触头微动磨损性能的影响，本文对研究控制与保护开关中触头的制造与研究有一定的研究意义，同时对其他电路中触头微动磨损的研究也有一定的借鉴意义。
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作者简介：
司志泽，男，工作单位，山东省产品质量检验研究院，主要研究方向，电器产品检验与技术研究。
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