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    低压电器的端子为何要镀银或者镀锡?

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    发表于 2023-7-6 22:22:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
    上一篇文章为什么断路器和接触器的端子会变色?,我们讨论低压断路器和接触器的银端子在含硫环境中(即使大气中微量的硫,时间足够长的情况下)会出现硫化变色的现象,但铜镀锡和铜镀镍端子不会,上一篇文章结尾留了一个话题:为了避免变色带来的麻烦,为何不直接镀锡或镀镍呢?
    首先,我们要知道为什么要在导体表面做镀一层其他金属?因为一个连接件的性能基本上由其表面上发生的现象决定,例如表面污染、氧化、二次氧化、硫化物的形成、腐蚀等。这些表面的污染增加了接触电阻并且对连接可靠性有害。因此,保证接触面的接触电阻处于较低水平且长期稳定是实现可靠连接的前提。通过在一定范围内适当的改变镀层的厚度和工艺可获得镀层的不同性能,例如在铜母线或者铜端子上镀上低电阻材料(银、锡等)来降低接触电阻,而且相对于裸铜可以保证接触电阻长期稳定。其次,为什么铜会选择镀银、镀锡或者镀镍呢?因为裸铜在空气中容易生成电阻率很高的氧化亚铜(氧化亚铜的电阻率为5x10^8Ω.m,而纯铜的电阻率为0.0175x10^(-6)Ω.m),且生成的厚度与温度和时间有关。大气中的铜,在开始一段时间内金属-金属接触的电阻比较低,但是由于大气中氧的存在,持续的氧化过程会使接触电阻迅速增大,会导致搭接面过热,容易引发火灾等安全事故,所以如果是纯铜搭接,在搭接前需要提前打磨接触面上氧化层,以保证低的接触电阻。
    锡、镍和银(在不含硫的环境)的氧化物随时间生长的厚度较低,且温度影响不大,尤其是银的氧化物对接触无影响,所以从镀层材料性能看,银无疑是最优的,见下表1。

    qw1.jpg

    表1 常见接触材料的氧化能力

    铜镀银对于保证接触面低电阻率和稳定性方面优势明显,但是遇到含硫容易变色,给使用者一种错觉,容易造成误解,那能否直接全部改为镀锡或镀镍呢?
    我们先回顾下GB 14048.1-2012 低压开关设备和控制设备第1部分:总则中关于端子温升的要求,见下表2。对于裸铜端子,其温升极限为60K,镀锡端子为65K,镀银或镀镍端子为70K。
    qw2.jpg
    表2  端子的温升极限
    在福州大学张冠生教授的《电器学》和GB/T25840-2010 规定电气设备部件(特别是接线端子)允许温升的导则等材料中,关于导体载流量与温升的关系是:温升与电流的p次方成正比。p值取决于导体的表面散热系数,通常在1.5到2之间,一般取平均值1.76。温升允许值越高,说明导体允许流过的电流越大。基于上述理论,我们将相同规格的裸铜、铜镀锡、铜镀银端子的载流能力对比如下表。通过对比会发现铜镀银后其“允许通过的电流”相对于裸铜增加了近20%,所以在不改变导体规格的前提下,仅仅通过改变镀层,就可以获得“允许载流能力”的提升。
    qw3.jpg

    举一个更实际点的例子,假如某特定规格的裸铜端子按照GB14048.1温升要求,其允许通过的电流为1000A(温升不超过60K),将铜端子镀锡后,其允许通过的电流可以提高到1080A(温升不超过65K),将端子镀银后,其允许通过的电流将变为1170A(温升不超过70K)。反过来,假如电流保持不变,端子镀层变化,那端子的规格会如何变化呢?请读者自行思考。你是不是发现镀银后端子的“载流能力”提高了,其实更应该理解:在满足国标温升的前提下,镀银端子“允许通过的电流值”提高了,因为镀银端子可以在更高的温度下运行。
    尽管铜镀银在含硫环境甚至在大气中含硫微量硫气体的情况下,随着时间变化会生成导电性差的硫化银,但是只要在未发生硫化前搭接,其搭接面接触电阻不会受到硫化银的影响。只有储存时间过长已经变色的镀银端子,才需要在与铜排连接前对端子进行处理。
    镀锡固然可以避免由于硫化产生的变色现象,但是其“允许载流能力”降低了。对于镀镍,虽然其“允许载流能力”与镀银相同,但一般不怎么常见,只有在镀银不适用的场合(含硫气体环境)时才会采用镀镍,且对于搭接时螺栓的紧固力矩要求更高,因而其成本不低。
    文章结尾我们总结下:铜端子表面镀锡或镀银是为了保持长期稳定的、更低的接触电阻,保证搭接处温升稳定。从温升的角度看,镀银和镀锡后,其“允许通过的电流值”提高了,有利于节省贵金属。
    怎么样,这个答案和你想象的一样吗?

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