摘 要：本文回顾了为监测和检测过热电气连接而开发的各种不同技术。介绍了最近利用声音传感技术进行过热连接检测的可行性研究结果。此外，我们还讨论了不同电流水平下电气故障连接引起的过热电接头的形成机制和行为特征。结果表明，过电流对过热电接头形成过程有重大影响。在热测试循环中可以观察到过热接触点的崩溃。这表明现有电气接触点的软化甚至熔化，并形成了一种新的电气接触点。

关键词：连接器；过热电接头；故障电接头；发热接触件；电起火；电弧故障；电弧光；电气系统

1 引言

电气系统中连接出现故障有可能会出现电弧、电气起火和电弧光。这不仅会造成电气设备损坏，还可能导致人身伤害，甚至会危及生命。人们早已对由于连接松动、腐蚀、电流循环和热循环导致的过热电接头进行了大量研究。过热的电气接头不仅发生在住宅应用领域，也发生在商业和工业应用中。通过定期对电气系统进行红外热扫描和重新拧紧连接螺栓进行预防性维护是工业应用中最常见的做法，以防止过热的电接头升级为电弧故障、电光或导致电气起火。温度传感器也可用于监测电接头附近的温度。

我们在之前已经研究过声学传感和反射测量来检测过热的电接头。人们时常认为，错误的连接会立即变成过热的电气接触界面，但这种看法并非在所有情况下都是正确的。事实上，在所研究的汇流排接头中，电气故障连接在电气接触温度升高到预警值之前仍能在一段时间内提供良好的电接触。本文将利用声信号、电压、电流和温度测量详细讨论电气故障连接引起的过热接触界面的形成机制和特征。在背板中的镀银铝质汇流排接头上进行了具体的试验，电气测试电流范围为100A至500A。发现负载电流的幅度（表示电应力水平）对形成过热接触所需的时间有重大影响。

2 技术概述

NEMA程序规定了电气系统的定期维护检查和重新拧紧。已经开发并采用了各种电气技术和电气产品来监测和检测过热的电接头。这些电气技术和电气产品正广泛应用于配电盘、交换机、背板和电机控制中心（MCC）。以下部分将回顾用于监测和检测电气系统中过热电气接头的常用技术和产品。

2.1 红外成像扫描

如今，红外成像设备通常用于在但不限于电气系统的定期维护检查期间扫描电气接头。红外成像摄像头将检测电气系统视线内的高温点。然而，这项电气技术也有以下缺点：

·它们不提供对电气系统的全天候监控。电气接头过热可能会被忽视。

·视线之外的电气接头无法扫描。

·在红外扫描过程中，检查人员会接触到带电的电气元件。

2.2 电气接头温度传感器

这组电气技术和电气产品提供每个电气接头的温度测量，并通过无线或有线通信链路将传感结果传输到中央数据中心。它们通常对电气系统进行全天候监控。大多数解决方案利用电力收集技术为温度传感器提供所需的电力。这些解决方案的主要缺点是需要大量的温度传感器来监测配电盘、交换机、背板和MCC内的所有电气接头。传感器系统的相关成本，包括安装人工成本，可能非常高。因此，通常只监测难以接近或关键的电气接头。一些电气产品使用的有线通信链路在中压和高压应用中可能存在电介质击穿的潜在风险。市场上现有的电气产品包括：

·热电偶温度传感器：热电偶用于测量电气系统中电气接头的温度。信息通过有线串行通信协议（如MODBUS）或无线通信协议（如Zigbee或RFID）来传输。

·红外温度传感器：紧凑型、独立的红外温度传感器用于监测电接头温度，然后将信息传递给远程控制中心。通信电缆还可以充当红外传感器的电源线。

·声波温度传感器：与使用电阻和加热物体红外辐射发射等物理特性的温度依赖性来测量温度的传统方法不同，基于表面声波（SAW）的温度传感器采用压电效应。众所周知，在压电材料表面传播的表面声波对温度变化高度敏感。基于SAW的温度传感涉及将声波电感应到压电材料中，然后将转换波的能量重新转换成电信号，以便进行温度测量。SAW器件的一个显著优点是其低功耗。

·光纤温度传感器：这种温度传感器利用光因温度变化而产生的特性变化，如反射率或折射率，来测量表面温度。信号光通过传感点和电子设备之间的光纤电缆引导。通过使用光，光纤电缆不需要任何导电部件。其末端感测点不需要电子电路或电源。

显然，需要成本效益高的技术和电气产品来监测和检测电力控制和配电系统中过热的电气接头。人们已经研究的一种潜在技术是监测过热电接头引起的声信号。声信号可以沿着汇流排和电缆进行传播，只是根据汇流排和电缆的尺寸，会有一定的衰减。下一节，我们将概略地讲述这一现象。

3 过热电接头及其相关的声信号

之前的电气技术研究表明，过热的电气接头会产生声信号，这些声信号可以沿着电线或汇流排传播。

图1 7A下I型Al接线片的过热电接头及其电压、电流和声波形

过热电接头的形成可分为三种模式。在使用AWG#18铜导线的相对电极设置的情况下，过热或发热的接触模式可以描述如下：模式I通常发生在5A或更高的电流下。由于焦耳发热和熔融金属或金属氧化物的不稳定性，电气发热接触点会瞬间破裂，形成电弧，然后重新形成一个电气发热触点。如图1所示，电弧和发热接触点都会产生很强的声信号。模式II的特征是移动发光细丝。这通常出现在电流为5A以下的情况。

在这种模式下，可以观察到一个收缩的移动亮点和发光的灯丝桥接两个相对的接触表面。在这种情况下，可以观察到周期性的声信号。模式III处于完全的熔融状态。没有狭窄的移动亮点，没有发光的灯丝，也没有出现电弧。这种模式通常发生在模式I或模式II在电气接触界面中形成足够的金属氧化物之后。通常，我们只能检测到非常微弱的声信号，甚至检测不到任何声信号。

我们已经研究了利用这种现象检测过热电接头的可行性。主要问题之一是声信号在无法被检测到之前可以沿着电缆和汇流排传播多远。该电气测试结果表明，声信号的衰减明显受到电缆和汇流排尺寸、频率、声发生源和测量点之间的电连接数量和类型的影响。

图2 声信号强度和传感器基线噪声与导线长度和线径关系

声信号中的高频声分量具有比低频分量高得多的衰减率。因此，监测低频声信号对于检测电气过热触点产生的声信号可能是最有效的。

从图2还可以看出，通过AWG#12等细铜线传输所出现的很强的声衰减可能会限制该电气技术在住宅电力系统中检测过热电接头的使用。不过，由于通过AWG#00等大号电缆和汇流排传输时，其声信号衰减相对较小，故有可能成为工业应用中过热电气接头检测的有效手段。

4 连接不良引起的电接头过热特性

我们已经对因连接故障导致的过热电接头的形成机制及特性进行了研究。最新电气测试结果表明，电气过热接触界面的形成明显受到了下列因素的影响：

·螺栓的扭矩（即接触力），

·负载电流，以及

·电接头尺寸合适与否。

背板中汇流排接头在100A和6in-lb扭矩下形成过热触点所需的时间约为19天，而中压系统的汇流排电缆接头在3000A下约为35分钟。当中压汇流排系统受到500A的过电流时，汇流排电缆接头在5分钟内形成过热的电气接触界面。

本文将描述在正常电流和过电流情况下，由于镀银铝质汇流排连接故障导致的电气过热触点的进一步研究结果。研究了两种损坏的电气连接：镀银铝质汇流排接头，镀银层已去除，镀银铝质汇流排接口在200℃的烘箱中预处理8小时。

4.1 实验装置

我们按照图3所示对250A背板中的螺栓连接做了研究。背板内的汇流排由镀银铝（A1）制成。

通过去除接头处铝质汇流排上的镀银层，在200℃的烘箱中将汇流排预热8小时，或将电气测试电流设置为高于背板的额定电流，建立了连接故障。如图3所示，一个背板连接器和一个垂直汇流排之间产生了连接故障。本电气技术研究使用低压大电流交流电源提供交流测试电流。在电气测试过程中，我们对螺栓连接处的电压降进行了电气监测。

我们将上述声传感器放置在汇流排上，以从电气系统故障连接中拾取过热接触界面引起的声信号。如图3所示，声传感器安装在通过连接器连接到被测汇流排的相邻汇流排上。在电气过热的情况下，即汇流排连接处的熔融接触界面会产生声信号，声传感器可以检测到该声信号。

图3 使用250A背板进行故障电接头热测试的试验配置

使用三个热电偶测量了连接附近汇流排上三个不同位置的温度。这些热电偶被夹在螺栓垫圈和汇流排之间。如图3所示，热电偶T_e被放置在故障电气接头的位置。热电偶T₄和T_s分别安装在距离故障接头4英寸和8英寸的位置。同时，我们在整个电气系统测试期间还监测了环境温度T。

建立了一个电气数据采集系统，用于电气系统监测和记录三个位置的温度数据、电气接头两端的电压降V_e、电气系统测试电流I和声传感器的信号。

4.2 试验参数

四组电气系统试验的试验参数见下表1所示。

表1 电气系统试验参数

前三组电气系统测试是在过电流设置为500A的情况下进行的。第一组电气系统测试是用镀银铝质汇流排进行的，在电气接头处从背板连接器表面去除镀银层。第二次电气系统测试使用镀银铝质汇流排，其连接器在200℃的烘箱中预处理8小时。第三次电气系统试验采用镀银铝质汇流排接头进行，未进行任何修改。

然后在100A下进行电气系统第四次测试。在该电气系统测试中，汇流排再次在200℃的烘箱中预处理8小时。该电气系统测试旨在提供一个参考点，以显示过电流将如何影响过热电气接头的形成。该电气系统测试进行了29天，以便将其与第二次电气系统测试的试验结果进行比较。

5结果和讨论

5.1过电流下的电接头

这组电气系统测试包括在连接器接触面上去除镀银的汇流排接头、在200℃的烘箱中预处理的连接器汇流排表面，以及未经任何处理的连接器接头。电气检测结果将在下列章节中讨论。

1） 采用镀银铝质汇流排的背板

本电气系统测试的目的是调查过电流情况下的正常电气接头。镀银铝质汇流排电气接头的表面没有进行任何修改。

图4原始汇流排：汇流排沿线不同位置的温度、电气接头两端的电压降以及500A下随时间变化的测试电流

如图4所示，在整个电气系统测试过程中，电气接头两端的电压降保持在4.5mV左右。使用低压大电流交流电源将电气系统测试电流保持在约500A。由于电气系统测试电路中的电阻变化，电气系统测试电流的波动幅度约为±10%。过电流沿被测汇流排产生了相对较高的温度。距离汇流排接头8英寸处的温度开始约为80℃，电气系统试验循环结束时达到100℃以上。

图5原始汇流排：500A下电气接头两端的电压降和测试电流随时间的变化

经过34天的测试，汇流排接头处的温度达到170℃，观察到崩溃，温度下降了60℃。此时，我们将电气系统测试装置重新组装并拧紧。在剩余的16天电气测试中，汇流排沿线的温度保持相对稳定，并逐渐上升。如图5所示，近距离观察电气接头上的电压降表明，在整个电气系统测试过程中，电阻一直在增加。这是在过电流条件下高温所导致的电气接触表面劣化迹象。但在电气系统测试过程中，我们没有观察到声信号。这意味着尚未形成电气熔融接触点。

2） 使用铝质汇流排的背板（镀银层已去除）

我们做了另一项电气测试，以研究电气损坏的汇流排接头在过电流情况下的行为特征。在这种情况下，我们在电气系统测试开始之前，将背板连接器接触表面的镀银层去除。

如图6所示，汇流排沿线的温度，特别是汇流排接头处的温度，上升得非常快。在19天内，电气接头处的温度达到200℃，而收缩电阻达到140mV。此时，检测到声信号，表明汇流排接头处存在电气熔融接触界面。随后电气熔融接触点崩溃，形成新的电气接触点，导致电气接头两端的温度和电压明显下降。

这种现象发生了几次，但没有形成电气熔融接触点，因为我们沿汇流排没有检测到声信号。经过70多天试验，电气接头上的接触电阻或电压降最终达到了没有观察到崩溃的程度。温度继续升至300℃以上，电压降达到了350mV以上。很明显，此时发生了失控现象，并形成了电气熔融接触界面，这可能是由于金属氧化物的大规模形成，阻止了在电气系统试验中出现之前看到的崩溃现象的可能性。

图6 去除的镀银层：汇流排沿线不同位置的温度、电气接头两端的电压降以及500A下随时间变化的测试电流

3） 使用预处理铝质汇流排的背板

这组电气系统测试旨在研究镀银铝质汇流排的预处理如何影响过电流情况下过热电接头的形成。

正如之前的电气技术研究中所指出的那样，在高温环境下对镀铝端子和汇流排的不当处理可能会导致镀层保护出现显著劣化，并加速氧化过程。这就导致电气接头界面处的收缩电阻升高。在该电气系统测试中，我们也观察到了这种现象。

图7 在200℃烘箱中预处理：汇流排沿线不同位置的温度、电气接头两端的电压降以及500A下测试电流随时间的变化情况

如图7所示，汇流排接头温度从100℃开始，在18天内稳步攀升至250℃左右。同时，我们还检测到声信号。这意味着在电气接触界面处形成熔融接触点。在这种情况下，观察到轻微的崩溃。应该指出的是，电气触点两端的电压降从50mV开始，是去除银镀层情况下的两倍多。很显然，在200℃的烘箱中对汇流排进行8小时的预处理会导致汇流排上镀银层的劣化。电气熔融接触点形成的时间似乎比去除镀银层的情况快得多。

5.2额定电流下的电接头

第二组电气测试在100A下进行。本文将仅讨论去除镀银的汇流排的测试结果，并将其与500A下的结果进行比较。

图8 去除的镀银层：汇流排沿线不同位置的温度、电气接头两端的电压降以及100A下随时间变化的测试电流

图8显示了29天内的温度、电压降和测试电流。电流保持在100A。在整个电气测试期间，汇流排接头上的电压降保持在4.5mV。很明显，在这种情况下，电气接头的劣化率远低于过电流情况。即使经过29天的电气测试，也没有观察到明显的电气劣化现象。应该指出的是，这并不意味着铝质汇流排不需要镀银。氧化过程需要更长的时间才能在界面处产生足够的金属氧化物，从而在额定电流或额定电流以下产生过热的电气接头。

我们需要注意的是，电气接头位置与汇流排上的其他两个位置之间没有出现温差。与环境温度相比，其平均温度上升了2.5℃。

5.3 接头界面接触电阻分析

根据电气测试数据，我们做了进一步电气测试分析，以确定汇流排接头接口处温度。

使用测量的电气接头两端的电压降和汇流排接头处的温度测量值，我们可以用维德曼-弗朗兹定律来测算电气接触点或电气接触界面温度，如公式（1）所示：

（1）

式中，T_c是电气接头处的测量温度，T_spot是电气接触界面温度，L是洛伦兹常数（2.45×10^-8V²/K²），V是电气接头两端的测量电压降。图9、10和11显示了计算的电气接触界面温度与Ag和Al的熔化温度的关系。Al₂O₃的熔化温度约为2072℃，远高于计算得出的电气接触点温度。

图9显示，即使汇流排接头在500 A下负载过电流，电气接触点温度也相对较低，约为120℃。该温度远低于铝或银的熔点。在50天的电气测试期间，没有检测到任何声信号。

图9 原始汇流排：在500A下计算出的接触点温度随时间的变化

在汇流排接头的一个电气接触面上去除镀银层的情况下，计算出的电气接触界面温度超过了Al和Ag的熔点，如图10所示。这表明在电气接触界面处存在熔融接触点。它与声传感器的电气测量结果有很好的相关性。不过，需要注意的是，在电气测试的第19天，当电气接触点温度仅为约400℃时，也检测到了声信号。这种偏差可能源自对电气接触点温度的简化计算，其假设条件是汇流排的整体温度均匀，同时采用维德曼-弗朗兹定律。

图10 去除银镀层：500A电流下各时点的计算电气接触点温度

图11 在200℃烘箱中预处理：计算的电气接触点温度是500A电流下时间（天）函数

图11显示背板连接器200℃烘箱中预处理8小时后所计算的电气接触点温度。测试18天后，电气接触点温度上升到660℃以上。这就高于金属铝（Al）的电气熔融温度。正如德诺夫斯基在以前所做的一项研究显示，热老化和应力可能会导致镀层界面粘着力较差，出现裂纹、空隙和分离现象。其主要原因是材料（Al和Ag）的热膨胀系数、镀层机械应力不同，或是Ag镀层的质量。当电气接触点温度达到Al熔点以上时，从电气熔融接触点检测到声信号。

6 结论

本文简要回顾了市场上现有的技术和电气产品。虽然常用的红外热成像检测可以有效地检测过热的电气接头，但它缺乏提供隐藏电气接头温度信息的能力和24-7监控能力。它还让检查人员暴露在带电的电气部件中。直接温度测量的方法提供了24-7的电气监测能力，以及监测电气系统中所有电接头的能力。不过，如果温度传感器没有安装在靠近电接头的地方，它可能会无效。在每个电气接头处安装温度传感器，这种电气监测系统的总体成本可能会非常高，妨碍了它的广泛采用。各种电气产品研究人员已经研究和探索了替代技术。使用过热电接头产生的声信号的可行性已被证明同样适用于商业和工业应用。

对过热镀银铝质汇流排接头的形成过程进行了进一步研究。该电气测试结果表明：

过电流对过热电接头形成过程有重大影响。在500A的电流下，有缺陷的镀银铝质汇流排接头在不到3个月的时间里就形成了过热连接。特别是，电接头仅用了23天就与预处理汇流排形成了过热连接，而经过29天的100A热测试后，预处理汇流排接头没有出现明显劣化。

● 在这些热测试中，我们观察到过热接触点出现崩溃。这表明现有电气接触点软化甚至熔化，并形成新的电气接触点。

我们还使用汇流排接头上测量的电压降和温度测量数据T_e计算了接触界面温度。结果表明，声传感器测量值与电气接触界面温度结果之间具有良好的一致性，可以指示电气接触界面的熔化。考虑到Al、Ag和Al₂O₃的熔融温度，镀银层或Al₂O₃层下方的Al很可能在镀银层或氧化铝层之前熔化。需要进一步调查，以更好地了解汇流排材料、镀层材料和汇流排电流水平将如何影响过热电接头的形成过程。