摘 要：本文回顧了為監(jiān)測和檢測過熱電氣連接而開發(fā)的各種不同技術。介紹了最近利用聲音傳感技術進行過熱連接檢測的可行性研究結果。此外，我們還討論了不同電流水平下電氣故障連接引起的過熱電接頭的形成機制和行為特征。結果表明，過電流對過熱電接頭形成過程有重大影響。在熱測試循環(huán)中可以觀察到過熱接觸點的崩潰。這表明現有電氣接觸點的軟化甚至熔化，并形成了一種新的電氣接觸點。
關鍵詞：連接器；過熱電接頭；故障電接頭；發(fā)熱接觸件；電起火；電弧故障；電弧光；電氣系統(tǒng)
1 引言
電氣系統(tǒng)中連接出現故障有可能會出現電弧、電氣起火和電弧光。這不僅會造成電氣設備損壞，還可能導致人身傷害，甚至會危及生命。人們早已對由于連接松動、腐蝕、電流循環(huán)和熱循環(huán)導致的過熱電接頭進行了大量研究。過熱的電氣接頭不僅發(fā)生在住宅應用領域，也發(fā)生在商業(yè)和工業(yè)應用中。通過定期對電氣系統(tǒng)進行紅外熱掃描和重新擰緊連接螺栓進行預防性維護是工業(yè)應用中最常見的做法，以防止過熱的電接頭升級為電弧故障、電光或導致電氣起火。溫度傳感器也可用于監(jiān)測電接頭附近的溫度。
我們在之前已經研究過聲學傳感和反射測量來檢測過熱的電接頭。人們時常認為，錯誤的連接會立即變成過熱的電氣接觸界面，但這種看法并非在所有情況下都是正確的。事實上，在所研究的匯流排接頭中，電氣故障連接在電氣接觸溫度升高到預警值之前仍能在一段時間內提供良好的電接觸。本文將利用聲信號、電壓、電流和溫度測量詳細討論電氣故障連接引起的過熱接觸界面的形成機制和特征。在背板中的鍍銀鋁質匯流排接頭上進行了具體的試驗，電氣測試電流范圍為100A至500A。發(fā)現負載電流的幅度（表示電應力水平）對形成過熱接觸所需的時間有重大影響。
2 技術概述
NEMA程序規(guī)定了電氣系統(tǒng)的定期維護檢查和重新擰緊。已經開發(fā)并采用了各種電氣技術和電氣產品來監(jiān)測和檢測過熱的電接頭。這些電氣技術和電氣產品正廣泛應用于配電盤、交換機、背板和電機控制中心（MCC）。以下部分將回顧用于監(jiān)測和檢測電氣系統(tǒng)中過熱電氣接頭的常用技術和產品。
2.1 紅外成像掃描
如今，紅外成像設備通常用于在但不限于電氣系統(tǒng)的定期維護檢查期間掃描電氣接頭。紅外成像攝像頭將檢測電氣系統(tǒng)視線內的高溫點。然而，這項電氣技術也有以下缺點：
·它們不提供對電氣系統(tǒng)的全天候監(jiān)控。電氣接頭過熱可能會被忽視。
·視線之外的電氣接頭無法掃描。
·在紅外掃描過程中，檢查人員會接觸到帶電的電氣元件。
2.2 電氣接頭溫度傳感器
這組電氣技術和電氣產品提供每個電氣接頭的溫度測量，并通過無線或有線通信鏈路將傳感結果傳輸到中央數據中心。它們通常對電氣系統(tǒng)進行全天候監(jiān)控。大多數解決方案利用電力收集技術為溫度傳感器提供所需的電力。這些解決方案的主要缺點是需要大量的溫度傳感器來監(jiān)測配電盤、交換機、背板和MCC內的所有電氣接頭。傳感器系統(tǒng)的相關成本，包括安裝人工成本，可能非常高。因此，通常只監(jiān)測難以接近或關鍵的電氣接頭。一些電氣產品使用的有線通信鏈路在中壓和高壓應用中可能存在電介質擊穿的潛在風險。市場上現有的電氣產品包括：
·熱電偶溫度傳感器：熱電偶用于測量電氣系統(tǒng)中電氣接頭的溫度。信息通過有線串行通信協(xié)議（如MODBUS）或無線通信協(xié)議（如Zigbee或RFID）來傳輸。
·紅外溫度傳感器：緊湊型、獨立的紅外溫度傳感器用于監(jiān)測電接頭溫度，然后將信息傳遞給遠程控制中心。通信電纜還可以充當紅外傳感器的電源線。
·聲波溫度傳感器：與使用電阻和加熱物體紅外輻射發(fā)射等物理特性的溫度依賴性來測量溫度的傳統(tǒng)方法不同，基于表面聲波（SAW）的溫度傳感器采用壓電效應。眾所周知，在壓電材料表面?zhèn)鞑サ谋砻媛暡▽囟茸兓叨让舾�。基于SAW的溫度傳感涉及將聲波電感應到壓電材料中，然后將轉換波的能量重新轉換成電信號，以便進行溫度測量。SAW器件的一個顯著優(yōu)點是其低功耗。
·光纖溫度傳感器：這種溫度傳感器利用光因溫度變化而產生的特性變化，如反射率或折射率，來測量表面溫度。信號光通過傳感點和電子設備之間的光纖電纜引導。通過使用光，光纖電纜不需要任何導電部件。其末端感測點不需要電子電路或電源。
顯然，需要成本效益高的技術和電氣產品來監(jiān)測和檢測電力控制和配電系統(tǒng)中過熱的電氣接頭。人們已經研究的一種潛在技術是監(jiān)測過熱電接頭引起的聲信號。聲信號可以沿著匯流排和電纜進行傳播，只是根據匯流排和電纜的尺寸，會有一定的衰減。下一節(jié)，我們將概略地講述這一現象。
3 過熱電接頭及其相關的聲信號
之前的電氣技術研究表明，過熱的電氣接頭會產生聲信號，這些聲信號可以沿著電線或匯流排傳播。
圖1 7A下I型Al接線片的過熱電接頭及其電壓、電流和聲波形
過熱電接頭的形成可分為三種模式。在使用AWG#18銅導線的相對電極設置的情況下，過熱或發(fā)熱的接觸模式可以描述如下：模式I通常發(fā)生在5A或更高的電流下。由于焦耳發(fā)熱和熔融金屬或金屬氧化物的不穩(wěn)定性，電氣發(fā)熱接觸點會瞬間破裂，形成電弧，然后重新形成一個電氣發(fā)熱觸點。如圖1所示，電弧和發(fā)熱接觸點都會產生很強的聲信號。模式II的特征是移動發(fā)光細絲。這通常出現在電流為5A以下的情況。
在這種模式下，可以觀察到一個收縮的移動亮點和發(fā)光的燈絲橋接兩個相對的接觸表面。在這種情況下，可以觀察到周期性的聲信號。模式III處于完全的熔融狀態(tài)。沒有狹窄的移動亮點，沒有發(fā)光的燈絲，也沒有出現電弧。這種模式通常發(fā)生在模式I或模式II在電氣接觸界面中形成足夠的金屬氧化物之后。通常，我們只能檢測到非常微弱的聲信號，甚至檢測不到任何聲信號。
我們已經研究了利用這種現象檢測過熱電接頭的可行性。主要問題之一是聲信號在無法被檢測到之前可以沿著電纜和匯流排傳播多遠。該電氣測試結果表明，聲信號的衰減明顯受到電纜和匯流排尺寸、頻率、聲發(fā)生源和測量點之間的電連接數量和類型的影響。
圖2 聲信號強度和傳感器基線噪聲與導線長度和線徑關系
聲信號中的高頻聲分量具有比低頻分量高得多的衰減率。因此，監(jiān)測低頻聲信號對于檢測電氣過熱觸點產生的聲信號可能是最有效的。
從圖2還可以看出，通過AWG#12等細銅線傳輸所出現的很強的聲衰減可能會限制該電氣技術在住宅電力系統(tǒng)中檢測過熱電接頭的使用。不過，由于通過AWG#00等大號電纜和匯流排傳輸時，其聲信號衰減相對較小，故有可能成為工業(yè)應用中過熱電氣接頭檢測的有效手段。
4 連接不良引起的電接頭過熱特性
我們已經對因連接故障導致的過熱電接頭的形成機制及特性進行了研究。最新電氣測試結果表明，電氣過熱接觸界面的形成明顯受到了下列因素的影響：
·螺栓的扭矩（即接觸力），
·負載電流，以及
·電接頭尺寸合適與否。
背板中匯流排接頭在100A和6in-lb扭矩下形成過熱觸點所需的時間約為19天，而中壓系統(tǒng)的匯流排電纜接頭在3000A下約為35分鐘。當中壓匯流排系統(tǒng)受到500A的過電流時，匯流排電纜接頭在5分鐘內形成過熱的電氣接觸界面。
本文將描述在正常電流和過電流情況下，由于鍍銀鋁質匯流排連接故障導致的電氣過熱觸點的進一步研究結果。研究了兩種損壞的電氣連接：鍍銀鋁質匯流排接頭，鍍銀層已去除，鍍銀鋁質匯流排接口在200℃的烘箱中預處理8小時。
4.1 實驗裝置
我們按照圖3所示對250A背板中的螺栓連接做了研究。背板內的匯流排由鍍銀鋁（A1）制成。
通過去除接頭處鋁質匯流排上的鍍銀層，在200℃的烘箱中將匯流排預熱8小時，或將電氣測試電流設置為高于背板的額定電流，建立了連接故障。如圖3所示，一個背板連接器和一個垂直匯流排之間產生了連接故障。本電氣技術研究使用低壓大電流交流電源提供交流測試電流。在電氣測試過程中，我們對螺栓連接處的電壓降進行了電氣監(jiān)測。
我們將上述聲傳感器放置在匯流排上，以從電氣系統(tǒng)故障連接中拾取過熱接觸界面引起的聲信號。如圖3所示，聲傳感器安裝在通過連接器連接到被測匯流排的相鄰匯流排上。在電氣過熱的情況下，即匯流排連接處的熔融接觸界面會產生聲信號，聲傳感器可以檢測到該聲信號。
圖3 使用250A背板進行故障電接頭熱測試的試驗配置
使用三個熱電偶測量了連接附近匯流排上三個不同位置的溫度。這些熱電偶被夾在螺栓墊圈和匯流排之間。如圖3所示，熱電偶Te被放置在故障電氣接頭的位置。熱電偶T4和Ts分別安裝在距離故障接頭4英寸和8英寸的位置。同時，我們在整個電氣系統(tǒng)測試期間還監(jiān)測了環(huán)境溫度T。
建立了一個電氣數據采集系統(tǒng)，用于電氣系統(tǒng)監(jiān)測和記錄三個位置的溫度數據、電氣接頭兩端的電壓降Ve、電氣系統(tǒng)測試電流I和聲傳感器的信號。
4.2 試驗參數
四組電氣系統(tǒng)試驗的試驗參數見下表1所示。
表1 電氣系統(tǒng)試驗參數
前三組電氣系統(tǒng)測試是在過電流設置為500A的情況下進行的。第一組電氣系統(tǒng)測試是用鍍銀鋁質匯流排進行的，在電氣接頭處從背板連接器表面去除鍍銀層。第二次電氣系統(tǒng)測試使用鍍銀鋁質匯流排，其連接器在200℃的烘箱中預處理8小時。第三次電氣系統(tǒng)試驗采用鍍銀鋁質匯流排接頭進行，未進行任何修改。
然后在100A下進行電氣系統(tǒng)第四次測試。在該電氣系統(tǒng)測試中，匯流排再次在200℃的烘箱中預處理8小時。該電氣系統(tǒng)測試旨在提供一個參考點，以顯示過電流將如何影響過熱電氣接頭的形成。該電氣系統(tǒng)測試進行了29天，以便將其與第二次電氣系統(tǒng)測試的試驗結果進行比較。
5結果和討論
5.1過電流下的電接頭
這組電氣系統(tǒng)測試包括在連接器接觸面上去除鍍銀的匯流排接頭、在200℃的烘箱中預處理的連接器匯流排表面，以及未經任何處理的連接器接頭。電氣檢測結果將在下列章節(jié)中討論。
1） 采用鍍銀鋁質匯流排的背板
本電氣系統(tǒng)測試的目的是調查過電流情況下的正常電氣接頭。鍍銀鋁質匯流排電氣接頭的表面沒有進行任何修改。
圖4原始匯流排：匯流排沿線不同位置的溫度、電氣接頭兩端的電壓降以及500A下隨時間變化的測試電流
如圖4所示，在整個電氣系統(tǒng)測試過程中，電氣接頭兩端的電壓降保持在4.5mV左右。使用低壓大電流交流電源將電氣系統(tǒng)測試電流保持在約500A。由于電氣系統(tǒng)測試電路中的電阻變化，電氣系統(tǒng)測試電流的波動幅度約為±10%。過電流沿被測匯流排產生了相對較高的溫度。距離匯流排接頭8英寸處的溫度開始約為80℃，電氣系統(tǒng)試驗循環(huán)結束時達到100℃以上。
圖5原始匯流排：500A下電氣接頭兩端的電壓降和測試電流隨時間的變化
經過34天的測試，匯流排接頭處的溫度達到170℃，觀察到崩潰，溫度下降了60℃。此時，我們將電氣系統(tǒng)測試裝置重新組裝并擰緊。在剩余的16天電氣測試中，匯流排沿線的溫度保持相對穩(wěn)定，并逐漸上升。如圖5所示，近距離觀察電氣接頭上的電壓降表明，在整個電氣系統(tǒng)測試過程中，電阻一直在增加。這是在過電流條件下高溫所導致的電氣接觸表面劣化跡象。但在電氣系統(tǒng)測試過程中，我們沒有觀察到聲信號。這意味著尚未形成電氣熔融接觸點。
2） 使用鋁質匯流排的背板（鍍銀層已去除）
我們做了另一項電氣測試，以研究電氣損壞的匯流排接頭在過電流情況下的行為特征。在這種情況下，我們在電氣系統(tǒng)測試開始之前，將背板連接器接觸表面的鍍銀層去除。
如圖6所示，匯流排沿線的溫度，特別是匯流排接頭處的溫度，上升得非�？�。在19天內，電氣接頭處的溫度達到200℃，而收縮電阻達到140mV。此時，檢測到聲信號，表明匯流排接頭處存在電氣熔融接觸界面。隨后電氣熔融接觸點崩潰，形成新的電氣接觸點，導致電氣接頭兩端的溫度和電壓明顯下降。
這種現象發(fā)生了幾次，但沒有形成電氣熔融接觸點，因為我們沿匯流排沒有檢測到聲信號。經過70多天試驗，電氣接頭上的接觸電阻或電壓降最終達到了沒有觀察到崩潰的程度。溫度繼續(xù)升至300℃以上，電壓降達到了350mV以上。很明顯，此時發(fā)生了失控現象，并形成了電氣熔融接觸界面，這可能是由于金屬氧化物的大規(guī)模形成，阻止了在電氣系統(tǒng)試驗中出現之前看到的崩潰現象的可能性。
圖6 去除的鍍銀層：匯流排沿線不同位置的溫度、電氣接頭兩端的電壓降以及500A下隨時間變化的測試電流
3） 使用預處理鋁質匯流排的背板
這組電氣系統(tǒng)測試旨在研究鍍銀鋁質匯流排的預處理如何影響過電流情況下過熱電接頭的形成。
正如之前的電氣技術研究中所指出的那樣，在高溫環(huán)境下對鍍鋁端子和匯流排的不當處理可能會導致鍍層保護出現顯著劣化，并加速氧化過程。這就導致電氣接頭界面處的收縮電阻升高。在該電氣系統(tǒng)測試中，我們也觀察到了這種現象。
圖7 在200℃烘箱中預處理：匯流排沿線不同位置的溫度、電氣接頭兩端的電壓降以及500A下測試電流隨時間的變化情況
如圖7所示，匯流排接頭溫度從100℃開始，在18天內穩(wěn)步攀升至250℃左右。同時，我們還檢測到聲信號。這意味著在電氣接觸界面處形成熔融接觸點。在這種情況下，觀察到輕微的崩潰。應該指出的是，電氣觸點兩端的電壓降從50mV開始，是去除銀鍍層情況下的兩倍多。很顯然，在200℃的烘箱中對匯流排進行8小時的預處理會導致匯流排上鍍銀層的劣化。電氣熔融接觸點形成的時間似乎比去除鍍銀層的情況快得多。
5.2額定電流下的電接頭
第二組電氣測試在100A下進行。本文將僅討論去除鍍銀的匯流排的測試結果，并將其與500A下的結果進行比較。
圖8 去除的鍍銀層：匯流排沿線不同位置的溫度、電氣接頭兩端的電壓降以及100A下隨時間變化的測試電流
圖8顯示了29天內的溫度、電壓降和測試電流。電流保持在100A。在整個電氣測試期間，匯流排接頭上的電壓降保持在4.5mV。很明顯，在這種情況下，電氣接頭的劣化率遠低于過電流情況。即使經過29天的電氣測試，也沒有觀察到明顯的電氣劣化現象。應該指出的是，這并不意味著鋁質匯流排不需要鍍銀。氧化過程需要更長的時間才能在界面處產生足夠的金屬氧化物，從而在額定電流或額定電流以下產生過熱的電氣接頭。
我們需要注意的是，電氣接頭位置與匯流排上的其他兩個位置之間沒有出現溫差。與環(huán)境溫度相比，其平均溫度上升了2.5℃。
5.3 接頭界面接觸電阻分析
根據電氣測試數據，我們做了進一步電氣測試分析，以確定匯流排接頭接口處溫度。
使用測量的電氣接頭兩端的電壓降和匯流排接頭處的溫度測量值，我們可以用維德曼-弗朗茲定律來測算電氣接觸點或電氣接觸界面溫度，如公式（1）所示：
 （1）
式中，Tc是電氣接頭處的測量溫度，Tspot是電氣接觸界面溫度，L是洛倫茲常數（2.45×10-8V2/K2），V是電氣接頭兩端的測量電壓降。圖9、10和11顯示了計算的電氣接觸界面溫度與Ag和Al的熔化溫度的關系。Al2O3的熔化溫度約為2072℃，遠高于計算得出的電氣接觸點溫度。
圖9顯示，即使匯流排接頭在500 A下負載過電流，電氣接觸點溫度也相對較低，約為120℃。該溫度遠低于鋁或銀的熔點。在50天的電氣測試期間，沒有檢測到任何聲信號。
圖9 原始匯流排：在500A下計算出的接觸點溫度隨時間的變化
在匯流排接頭的一個電氣接觸面上去除鍍銀層的情況下，計算出的電氣接觸界面溫度超過了Al和Ag的熔點，如圖10所示。這表明在電氣接觸界面處存在熔融接觸點。它與聲傳感器的電氣測量結果有很好的相關性。不過，需要注意的是，在電氣測試的第19天，當電氣接觸點溫度僅為約400℃時，也檢測到了聲信號。這種偏差可能源自對電氣接觸點溫度的簡化計算，其假設條件是匯流排的整體溫度均勻，同時采用維德曼-弗朗茲定律。
圖10 去除銀鍍層：500A電流下各時點的計算電氣接觸點溫度
圖11 在200℃烘箱中預處理：計算的電氣接觸點溫度是500A電流下時間（天）函數
圖11顯示背板連接器200℃烘箱中預處理8小時后所計算的電氣接觸點溫度。測試18天后，電氣接觸點溫度上升到660℃以上。這就高于金屬鋁（Al）的電氣熔融溫度。正如德諾夫斯基在以前所做的一項研究顯示，熱老化和應力可能會導致鍍層界面粘著力較差，出現裂紋、空隙和分離現象。其主要原因是材料（Al和Ag）的熱膨脹系數、鍍層機械應力不同，或是Ag鍍層的質量。當電氣接觸點溫度達到Al熔點以上時，從電氣熔融接觸點檢測到聲信號。
6 結論
本文簡要回顧了市場上現有的技術和電氣產品。雖然常用的紅外熱成像檢測可以有效地檢測過熱的電氣接頭，但它缺乏提供隱藏電氣接頭溫度信息的能力和24-7監(jiān)控能力。它還讓檢查人員暴露在帶電的電氣部件中。直接溫度測量的方法提供了24-7的電氣監(jiān)測能力，以及監(jiān)測電氣系統(tǒng)中所有電接頭的能力。不過，如果溫度傳感器沒有安裝在靠近電接頭的地方，它可能會無效。在每個電氣接頭處安裝溫度傳感器，這種電氣監(jiān)測系統(tǒng)的總體成本可能會非常高，妨礙了它的廣泛采用。各種電氣產品研究人員已經研究和探索了替代技術。使用過熱電接頭產生的聲信號的可行性已被證明同樣適用于商業(yè)和工業(yè)應用。
對過熱鍍銀鋁質匯流排接頭的形成過程進行了進一步研究。該電氣測試結果表明：
過電流對過熱電接頭形成過程有重大影響。在500A的電流下，有缺陷的鍍銀鋁質匯流排接頭在不到3個月的時間里就形成了過熱連接。特別是，電接頭僅用了23天就與預處理匯流排形成了過熱連接，而經過29天的100A熱測試后，預處理匯流排接頭沒有出現明顯劣化。
● 在這些熱測試中，我們觀察到過熱接觸點出現崩潰。這表明現有電氣接觸點軟化甚至熔化，并形成新的電氣接觸點。
我們還使用匯流排接頭上測量的電壓降和溫度測量數據Te計算了接觸界面溫度。結果表明，聲傳感器測量值與電氣接觸界面溫度結果之間具有良好的一致性，可以指示電氣接觸界面的熔化。考慮到Al、Ag和Al2O3的熔融溫度，鍍銀層或Al2O3層下方的Al很可能在鍍銀層或氧化鋁層之前熔化。需要進一步調查，以更好地了解匯流排材料、鍍層材料和匯流排電流水平將如何影響過熱電接頭的形成過程。 |
