表面镀锡电连接器在低压开关柜中失效分析

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摘 要： 由于电连接器在国防、输配电等领域的广泛使用，对于连接器失效机制及其影响的研究也越来越引起重视。在电连接器表面镀上具有特定功能金属锡层已成为电连接研究的热点之一。本文通过对某一表面镀锡的样品进行多次往复的插拔试验，研究了随着接触表面因发生相对位移所导致的接触微动现象，及其该现象对于电接触性能的影响。

关键词： 电连接器;电阻;镀锡;微动

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.21.205

1 引言

就目前而言通过深入的研究，人们普遍的了解到在航空航天领域，微动腐蚀是造成连接器连接效果逐渐降低并最终完全失效的主要因素之一。但在智能化中高压输电和低压配电领域，特别是智能化低压配电开关柜局部领域还没有引起人们的足够重视。

智能化低压开关柜的定义

第一类：采用智能化元器件的低压开关柜。他是一智能化开关器件，智能化电力仪表，电机综合保护装置，馈电测控装置为基础，通过现场总线将各种信息汇总到柜内的通信管理中心后，再通过工业以太网于电力监控系统实现交互控制和交换信息。

第二类：具有全面信息化测控管理功能的低压开关柜。此类开关柜内信息采集摒弃了传统的电流互感器，利用各类传感器和控制器，实现三相电流，电压及其相位差的采集，还可以采集柜内各主回路一次搭接点的实时温度数据。这些数据经过柜内的工业以太网传输到测控中心。

综上通过智能化低压开关柜的定义，可以看出智能化低压开关柜内大量的数据传输要求，而这些数据的传输离不开连接器。电连接器是智能化低压开关柜接口配套部件，从带测控功能的元器件到各种个测控传感器，都对电连接器接触良好性，工作可靠性，维护方便性提出了特别高的要求。其在物流运输和正常工作中要受到多种环境外力的影响，其中振动和环境温度是影响其连接可靠性的两大因素。各种因素作用于连接器内的公母插件，导致接触部位摩擦和发生相对位移，所引发的接触微动现象将造成电接触性能逐渐退化甚至完全失效。

2 电连接器的主要性能

电连接器基本性能包括机械性能、电气性能和环境性能，电接触失效是其主要失效形式，表现为接触电阻增加以及连接瞬断等。为了保证电连接器的可靠连接，接触件材料一般选用摩擦损耗小，导电性能好、且不易产生应力松弛的铍青铜或铜合金材料;另外对连接器表面覆盖电阻率较低、较耐腐蚀的镀层的工艺处理也越来越被工厂所广泛采用。

3 镀层材料的选择

电连接器是通过电接触实现导体之间的电流导通和电信号传输的，所以，要使接触件触点的接触电阻小、使用寿命长、具有一定的硬度和耐磨性以及良好的电气性能等，就成为连接器电镀中必须要考虑到的问题。

基底金属上的镀层材料不同，对连接的影响也不尽相同。通常采用的镀层材料包括：金、银和锡。

（1）金和银的电阻率很低，抗被腐蚀氧化能力高，且材料表面不易产生绝缘的氧化膜层而影响接触性能，但由于金和银的价格相对昂贵，会带来制造和加工成本的相应提高。故镀金和镀银工艺并未被企业广泛地采用。

（2）相对于金和银的高昂成本，锡的价格则便宜了许多。锡是银白色的金属，密度7.28g/cm3，熔点232℃，具有耐腐蚀、抗变色、无毒、焊接性能好等优点。

镀锡具有下列特点和用途：

1）化学稳定性高，空气中暴露抗氧化，耐变色，与硫化物不发生化学反应，与其他强酸如稀硫酸、稀盐酸、硝酸几乎不反应，具有较强的防腐特性。

2）锡为良导电金属材料，易钎焊，所以常用以电子元器件引线、印刷电路板及低压器件的电镀;

3）随着科学技术的发展和人类的进步，人类对于环保意识的不断强化，锡因其无不无害的性质而受到人们的广泛使用。

4 镀锡表面处理电连接器问题反馈

某型智能低压开关柜在实际工程应用中频繁的接收到客户的投诉：该开关智能控制测量系统经常性的信息瞬断，导致数据无法正常传输，甚至造成大面积的停电等严重事故。通过技术支持部门分析最终发现导致这些严重事故的原因是因为在该型智能低压开关柜内大量应用了用镀锡做表面处理的电气连接器。

5 镀锡对电接触的影响失效模式分析

本实验室对该型开关柜所用电连接器直插式电连接器进行测试试验。电连接器的样品如图1 所示。

在进行连接器机械工作试验时，选择8对接触件作为试验样本，测量其接触电阻的初始值。每隔一月做40次插拔试验，每40次插拔试验后分别测对应的接触电阻值，共做360次插拔试验，得到的接触电阻的测量值分别如表1所示。

当接触点运动时，氧化膜在新位置中断和更新鲜的锡流入接触点。然而新暴露在最初的接触点锡会氧化。当接触返回到其原始位置的周期重复和内表面更新鲜的锡不断暴露并氧化。氧化层厚度的增加，电阻会随之增加。当这种情况发生时，电接触正变得不那么有效导致增加的接触温度，最终导致接触失效。

6 分析与结论

该型电连接器，刚开始的200次机械插拔试验中，其接触电阻的测量值变化比较大，而200 次机械插拔试验之后，其接触电阻的测量值都开始趋向稳定，没有单调上升或单调下降的变化，也没有忽升、忽降的变化。对于同类连接器制定产品标准时，机械工作试验的次数可以定为200 次，在200 次以后，测得的接触电阻可以反映此类产品稳定工作时的接触状态或接触可靠性。

通过对此型号产品的研究、试验和分析，确定了在本连接器表面镀锡对该产品接触电阻的影响，接触电阻也是电连接器接通负载后产生接点温升、自身发热的主要原因。接触件表面一般均涂覆有一定厚度的镀锡层，镀锡层虽具有一定的防腐蚀特性，但随着触点间相对微动而产生磨损，使锡的氧化膜在新位置中断和更新鲜的锡流入接触点，循环往复后会不断有更新鲜的锡暴露于空气中发生新的氧化。氧化层的不断增厚会导致接触电阻的逐渐增大，增大了电连接器接触电阻值的分散程度，不利于提高固有可靠性、延长产品的使用寿命。

以此试验分析在低压开关柜制造过程中，凡是在滑动连接处用到的电连接器禁止使用镀锡表面处理工艺。

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