摘要：本文通过数值计算和实验测试方法，对GIS应用中使用的电接触件（恒定电流）的特性进行研究。电接触件的良好性能不仅与所选用的材料有关，还与其外观几何形状密切有关。这些因素的优化可确保产品的良好性能。本研究显示，材料和几何参数对接触件机械力和接触电阻有一定的影响。因此，该研究将允许对接触件产品进行适当优化，以确保其高性能并保持稳定的接触电阻。

关键词：电接触件；接触力；接触电阻

1 引言

电气开关设备必须确保在开关设备的整个寿命周期（20至40年）内在安全条件下的标称电流。为了减少电力损耗，特别是在电接触区域，以及由此产生的焦耳热效应损耗，优先使用高等级的永久接触件来确保电流的连续性。

在气体绝缘变电站（GIS）中，带电部件由绝缘体支撑。连接导体由管状铝制成，末端有高级镀银接触件。它们的滑动能力允许存在热膨胀，但不会将机械应力传递到绝缘体。我们的研发行动旨在不断提高接触件产品的质量、性能和可靠性。阿尔斯通的插入式配置产品现在使用了一种特殊的接触件设计，即弹簧接触件，它为我们提供了足够的角度偏转，使接触件产品组装或拆卸操作更容易，时间更短。

图1 汇流排组件

在下面章节我们将详细描述为给定几何形状的铝壳体/弹簧接触件/铝棒的单个接触排接触电阻计算建立的一个宏观模型。

2 理论方法

带有斜面线圈的接触弹簧置于带V形槽的壳体中，汇流排（轴）的插入就确保了电气连续性。在插入过程中，接触件可在凹槽内转动，在“闭合”位置，弹簧接触件被压缩在壳体支撑物和芯轴之间。

图2 安装在凹槽中的弹簧接触件

在这里，我们也可以考虑采用其他一些配置，比如其接纳接触件的凹槽不在壳体支撑物中，而是在主导体上。对于这最后一种情况，本接触件产品研究所讨论的原则依然有效。

这种接触件产品配置可以定义为准静态形式，因为接触件在铝棒上的滑动是由棒的热膨胀引起的——这取决于日常的电负载；接触件相对移动约有几个毫米。基于这两个方面，我们认为在接触件寿命期限内必须控制好两个主要参数：接触电阻和接触力。第二个因素对第一个因素产生一定的影响。

接触电阻应做到尽可能的低。其电阻值主要取决于弹簧接触件和壳体以及弹簧接触件和芯轴之间的界面（材料和几何形状）。接触力必须保持在一个合理的范围内，即在确保足够低的接触电阻时的最小值和在摩擦过程中避免接触件过度磨损的最大值之间。如文献中所述，接触件的机械表面实际上比其电接触界面要大一些，在这一表面上除了有大量的接触点（α点）外，还存在着一些表面污染或表面缺陷。

2.1 弹簧接触件几何外形

图3 弹簧接触件尺寸特征

在本项接触件产品研究中，我们所考虑的弹簧接触件设计由大约100个斜线圈（N）组成，导线则采用镀银的低合金铜。接触件的其他尺寸特征如图3所示，包括线径（WD）、线圈高度（CH）、线圈宽度（CW）和内径（ID）。当弹簧在受压位置工作时（线圈在凹槽中转动，而线圈宽度则恒定不变），我们可以根据线圈的压缩高度（CCH）来确定其压缩率（T）：

（1）

2.2 接触电阻的计算

在插入式应用中，弹簧接触件采用同轴圆柱体配置，弹簧压缩在壳体和铝棒之间。接触电阻在很大程度上取决于接触弹簧的电阻，弹簧电阻是导线电阻R_w和收缩电阻的总和（一方面在V形槽和线圈之间产生了RC₂，另一方面在线圈和转轴之间产生了RC₁）。

首先，我们计算一个线圈的接触电阻。为了简化起见，我们将接触件近似地看作一个环面。然后，我们就可以计算出接触件两端的电阻，而这个接触件是由N个相连的圆环面组合而成。

R_coil的接触电阻取决于收缩电阻RC₁和RC₂以及导线电阻R_w，其计算公式如下：

（2）

图4 环面投影简化等效电路

这样，弹簧总电阻R计算公式就演变为：

（3）

导线电阻R_w与收缩点之间的导线长度有关。当接触件线圈进入凹槽时，导线长度会有所变化，这取决于弹簧的压缩程度。为便于计算，我们采用下列公式：

（4）

式中，ρ是金属导线材料的电阻率（低合金钢铜），L是导线的长度，S是导线的截面。

霍尔姆（Holm）^[1，2]已经证明，在稳定状态下，与半径a和b的椭圆接触有关的收缩电阻可以用下列关系式来表示：

（5）

式中，RC是收缩电阻；

          ρs是接触材料的电阻率（在本案例中为金属银）；

          a是面积与实际接触椭圆面积相同的圆盘半径；

　　   f（γ）是与收缩比γ相关的形状因子。

对于RC₁和RC₂，我们必须首先使用赫兹理论来计算产生的接触面积。这一理论考虑了施加于线圈的力，以及其他输入因素；椭圆半径a和b与接触力大小的1/3幂成正比。

在下一个段落，我们将具体介绍一种确定接触力的方法。

2.3 接触力

接触力是计算接触电阻所需的一个参数，接触力的定义是触点对轴所施加的反作用力。为了获得这些信息，我们使用了ANSYS数值工具。该软件能够为我们提供压缩下弹簧接触件的力学行为特性。为了简化计算过程，我们在模拟中采用了平面结构的接触件，而不是圆形结构的接触件。接触件位于两块平板之间，其中一块平板上带有V型槽。

在相关计算中，我们忽略了接触表面的粗糙度，把它视为一个理想化的完美平面。

由于斜面弹簧比较长，而且横截面相对较小，因此，我们选择3D梁单元类型（BEAM189）来为弹簧接触件建模。为了达到所需要的真实感，我们有必要在模型中考虑采用凹槽设计。V型槽和上面的平板也应该用接触件产品功能参数来创建，这样我们就可以在计算中考虑其摩擦效应。相对于容易变形的弹簧，V型槽和平板就显得非常牢固，所以，我们可以使用具有刚性的外壳体。

在ANSYS软件应用中，我们通过线圈末端所有节点的DOF耦合来满足周期对称边界条件。考虑到弹簧足够长，采取这一方法时可以忽略末端效应。这也减少了获得弹簧准确应力分布情况所需要的单元数量。而且，上下接触表面都受制于接触效应。弹簧的底部中心节点受到轴向限制。下端的V型槽可以固定不动，而上端平板则可以移动，以适应压缩比的变化。

3 数值计算

在章节，我们将介绍使用数值计算接触力和接触电阻的方法。弹簧材料为铜合金，其弹性模量为E=1.1×10¹¹Pa，泊松比v=0.33；我们在本计算公式中所采用的摩擦系数值为0.1。

通过ANSYS计算，我们不仅可以看到与机械压缩或材料应力有关的弹簧接触件变形情况（见图5），还可以得出作为压缩率函数的接触力，如图6所示。

图5 接触件冯·米塞斯应力约束（Pa）

图6 一个线圈接触力与压缩比变化曲线

根据接触力计算公式，我们可以计算出每个接触界面的收缩电阻，然后计算出整个弹簧的电阻值（另见第2章第2.2节）。

图7 一个线圈的接触电阻

我们可以很容易计算出不同电阻RC₁、RC₂和Rw在线圈电阻（R_coil）中的分配占比情况。我们假定R_coil是100%，那么，我们就可以得出RC₁、RC₂和Rw的贡献占比。例如，当压缩比为13%时，RC₁对R_coil的贡献率大概为40%左右，而RC₂和Rw的贡献率则分别为23%和33%左右，见图8所示。

图8 RC₁、RC₂和Rw电阻对线圈电阻的贡献占比

4 接触件产品试验测量

4.1接触力测量

弹簧接触件产品的接触力是在平面配置下进行测量的（接触件放置在两块铝板之间，其中一块铝板上开设有一个V型槽，以便承载接触件），而不是在圆柱形配置下进行测量。

我们可以通过对上端组件进行减压来测量弹簧接触件的压缩力。在这里，我们采用埃里克森拉伸试验仪来完成。另外，在接触件和平板之间的接口界面处使用润滑脂并不会改变测量结果。

图9 每个线圈接触力的测量

从图9我们可以看出，接触力与压缩率之间并不是一种单纯的线性关系，而是根据一个二次多项式来计算得出的。该接触件产品试验还表明，在压缩比为10%到15%的范围内，每圈的接触力在5N到8N之间。

4.2接触电阻测量

在用于接触力测量的同一线性组件上进行接触电阻测量。实际上，电阻的计算可以通过在输入1000A电流后测量接触件产品的“输入”和“输出”端之间的电压差V来实现，见图10所示。接触电阻的测量不确定度为±0.07μΩ。

图10 置于两块铝板之间的接触件电阻测量试验设置

在图11中，我们可以看到接触件产品所测得的值（即数据点）以及所计算的值（即曲线）。两者的差距（沿曲线一直保持恒定不变）来源于用于接触件产品试验的装置自身的电阻。这自然就相应地增大我们所研究的接触电阻值。

（实心线：计算出的电阻；空心点：测得的电阻）

图11 电阻与压缩比变化曲线

我们可以看出，当压缩比处于10%~15%范围时，接触电阻基本上保持相对稳定，大约为3.5μΩ。还需要强调的是，我们应当采用压缩比在这一范围内的接触件，这样其接触电阻可以保持稳定，而不会出现大幅上升。在我们的接触件产品试验案例中，当压缩比低于5%时，接触电阻在逐步增大。

在图12中，我们可以看出，接触电阻与接触力/线圈之间存在着一种依存关系。

图12 电阻与接触力变化曲线

5 结语

本接触件产品研究显示，弹簧接触件参数（几何形状和材料）的定义对接触力和接触电阻有很大影响。我们根据本项接触件产品研究所开发的电接触模型已经得出了许多计算结果。这些接触件产品试验结果与通过试验得出的结果在数量级和趋势方面基本相符。

参考文献：

[1] R. Holm, "Electrical contacts, Theory and application"', Berlin, Springer -Verlag, 1967.

[2] Paul G. Slade, "Electrical contacts, Principles and applications", Ed. Taylor & Francis, Chap.

[3] Heinrich Hertz, Daniel Evan Jones, "The Principles of Mechanics Presented in a New Form."(1899), reprinted by Dover Phoenix Editions 2007.