日常工作中,經常遇到客戶反饋斷路器、大電流接觸器的端子,在現場使用或儲存一段時間后會出現變黃變暗的現象,如圖1所示 ,左邊為全新光亮的端子,右邊為變黃發暗的端子。客戶想知道產品運行時會不會有隱患,該如何解釋這種現象。
圖1 全新光亮端子(左)和發黃變暗端子(右)
為了解答這些疑問,我們首先得從低壓電器端子的鍍層說起,在GB 14048.1-2012低壓開關設備和控制設備 第1部分:總則的表2 端子的溫升極限中,可以看到對于斷路器、隔離開關、接觸器等低壓電器端子的表面處理方式,可以選擇鍍銀、鍍錫、鍍鎳或裸銅,而且不同鍍層對應的溫升極限允許值也不一樣。例如鍍銀端子的溫升極限允許值是70K,鍍錫端子65K,裸銅端子60K。
金屬材料在空氣中由于電化學腐蝕作用,在表面會形成各種金屬氧化膜(如氧化膜、硫化膜)。如果是在潮濕的空氣中,在電解質的作用下,不同金屬間發生的電化學腐蝕也會在接觸面形成銹蝕物,這些氧化膜和銹蝕物都是造成搭接面接觸電阻增大的原因。
對于斷路器、接觸器等低壓電器產品來說,金屬的氧化物是主要成分,金屬氧化物多半是半導體,其電阻率很高,導致接觸電阻增加、搭接面溫升上升。常見的幾種金屬氧化物的電阻率見下表4.3。
從上表中我們可以看到,氧化銀的電阻率相對于其他金屬氧化層低很多,所以在不含硫的環境中銅端子鍍銀可以保證很低的接觸電阻。銅在溫度400℃以內會生成氧化亞銅,其電阻率很高,如果是純銅,在環溫20℃的時候其電阻率只有0.0175*10^(-6) Ω.m。所以對于裸銅端子或裸銅排,在與銅母排搭接前最好擦拭光亮,以清除表面的氧化層。
由于裸銅容易隨時間和溫度的增加發生顯著的劣變,所以對于低壓斷路器、接觸器等產品的接線端子,為了保證更低的接觸電阻和保證接觸電阻的穩定性,一般采用銅端子鍍銀、鍍錫或鍍鎳的方式。
在GB/T 25840-2010規定電氣設備部件(特別是接線端子)允許溫升的導則中,舉例說明了裸銅、鍍鎳銅、鍍錫銅和鍍銀銅連接在接觸壓力10N和暴露在周圍空氣中1000h后的接觸電阻值,結果如下表3:
表3 銅與銅鍍層的接觸電阻對比
從表3中可看出,銅鍍錫或銅鍍銀優點明顯,銅鍍鎳更適用于銅鍍銀無法適用的環境(比如含硫氣體多的場合)。
銅鍍鎳適合于腐蝕氣體或高溫中的連接,經常用于發電站或鐵路運輸設施。對于銅鍍鎳,如果溫升保持在規定極限內,其接觸電阻和觸頭壽命與銀觸頭相當,但是由于鎳的氧化層很硬,所以銅鍍鎳的螺釘緊固力矩值要提高。
銅鍍錫和鋁鍍錫是優先用于低壓的材料。錫的硬度低,具有低的接觸電阻,但它不能用于經常斷開和接通的觸頭,這樣會損害錫鍍層。當錫的溫度超過105℃應特別注意,特別是當鍍錫觸頭與鍍銀觸頭配對時,因為在此溫度之上會出現蠕變現象。
銀是優良的鍍層材料,除了在含硫環境不推薦使用外,在其他場合使用時其老化速度緩慢,接觸電阻穩定性高。銀在空氣中也不易氧化,但當大氣中有臭氧存在時,銀的表面會生成氧化銀,但其電阻率很低,氧化銀易于清除,并且在200℃時會分解,對接觸導電沒有什么影響。
但如果鍍銀端子暴露在含有硫化氫H2S的環境中,或即使H2S和SO2的含量極低的大氣中,其表面容易生成硫化銀Ag2S絕緣暗膜(見下表4),硫化銀電阻率很大,室溫下為10^5~10^10Ω.m,幾乎相當于絕緣體,導電性能很差,容易引起導通不可靠和連接處過熱故障,所以在含硫環境中一般不使用鍍銀的端子,而是采用鍍錫或鍍鎳端子。
表4 Ag在大氣、臭氧、H2S和亞硫氣體環境的氧化硫化
硫化銀Ag2S的的生成速度取決于環境的溫度、涅度、含硫氣體的濃度等因素。試驗數據表明溫度越高、濕度越大、含硫氣體濃度越高,生成的硫化銀厚度越厚,顏色也越深。
污水處理廠、火電廠等含硫氣體多的場合,如果端子或銅排采用鍍銀工藝,長時間后端子或銅排表面會看到明顯的變色。
鍍銀端子表面的顏色深淺其實與硫化銀Ag2S厚度有關,通過表5可以大致看出二者之間的關系,所以文章開頭端子顏色發黃的真實原因是:端子的表面鍍銀,銀層與空氣的含硫氣體(即使是微量)長時間作用形成暗黃色的硫化銀。
鍍銀端子硫化變色之后會影響產品正常使用么?其實分兩種情況,第一種情況,如果因為長期儲存導致端子表面形成了硫化層,那么在端子與銅排搭接之前,需要用擦銀布擦拭端子表面的氧化層和硫化層,再與銅排搭接,以保證低的接觸電阻,避免溫升過高。
第二種情況,全新的鍍銀端子與母排搭接完,在現場運行一段時間后,出現發黃變暗的現象,此時不用擔心搭接面存在硫化氧化,因為一旦螺栓緊固到位,實際上銅排與端子的搭接面上無硫化氧化痕跡,所以不用擔心接觸電阻上升導致端子過熱。雖然端子與銅排搭接的外側已經變色,但是搭接面仍然保持原有的光亮,且無過熱的跡象。
如果在現場看到斷路器、接觸器的端子運行很長一段時間后顏色幾乎沒有改變,需要首先確認下端子是不是鍍錫或鍍鎳,因為后兩者的顏色幾乎不會改變。
可能有人會問,鍍銀端子在不含硫的環境中雖然可以保持更低的接觸電阻,但在含硫環境或日常大氣中的外觀表現不如鍍鎳和鍍錫,況且鍍銀的成本還高,為何端子不直接采用鍍錫和鍍鎳呢?這樣既省成本又避免變色帶來的麻煩,但事實真的是你想象的那樣嗎?
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