电力复合脂导电原理及应用-吕伟

〔摘要〕  分析了电气设备连接中接触电阻的形成原因及其危害，介绍了电力复合脂的导电原理，阐述了电力复合脂的作用，探讨了其涂敷工艺和应用条件，为电力复合脂的正确使用提供了技术参考与理论依据。

〔关键词〕电力复合脂；接触电阻；导电；隧道效应

引言
       2种同材质或不同材质的导体连接，会不同程度地存在接触电阻。影响其接触电阻值大小的因素有材料性能、材质、导体截面积、接触面的清洁程度以及压接面所承受的压力等。一般情况下，可有效降低接触电阻的办法有以下2种：
(1) 在导体表面搪锡或镀银；
(2) 在导电接触面涂敷工业凡士林。
搪锡或镀银虽然能较好地降低 2 导体接触面间的接触电阻，但施工工艺复杂，不适宜现场作业。涂敷工业凡士林只能短时间隔绝导体表面与空气，减缓导体表面氧化膜的生成，而不能起到长期保护的作用。
      综合考虑这2种常用降阻措施的优点与缺点，目前在现场作业中多采用涂敷电力复合脂来代替工业凡士林的方法，即将电力复合脂直接涂敷在导体的接触面上，以填充满 2 导体间的接触面，起到“油封”作用，隔绝导体面与空气的直接接触。

1 接触电阻的产生原因及危害
      暴露在空气中的金属材料，如铝、铜等，表面会生成一层氧化膜，如三氧化二铝、氧化铜等。由于氧化物的导电性能极差，电阻率高 ( 可达1×10⁷～ 1×10¹⁰ Ωm)，将大大增加金属导体间接触面的无机膜接触电阻 ( 简称膜电阻 )。导体及其氧化物的电阻率如表1所示。
表 1 导体及其氧化物的电阻率

      此外，通过在显微镜下观察可知，看似光滑的导体表面其实并不平整，2 导体的接触面上存在许多坑洼；其接触也并非面接触，而是点接触。当电流流过导体接触面时，电流会向这些接触点聚拢，使得导电通道逐渐变窄。从宏观上看，导体接触面导电性能被削弱，相当于增加了 2 个导体接触面之间的电阻，这一电阻即为束流电阻 ( 见图 1)。

导电体接触面的膜电阻 Rm 和束流电阻Rs 之和构成了接触电阻 Rj，如式 (1) 所示：
R j=R s+R m=K/(0.102? F)ⁿ                                        (1)

其中： F 为接触面间接的接触压力；n 为与接触形式 ( 点、线、面接触 )、压力范围、触面上接触点数以及触点分布情况有关的指数；

K 为与接触的材料、表面状况、接触方式有关的系数。

      接触电阻过大的危害有很多。随着接触电阻的增大，其电能损耗也会增大。输配电系统中存在大量大电流接触性导电接触面，比如断路器断口、隔离开关断口、输电线路搭接部分、母线与设备连接部位等。单只设备断口的损耗并不多，但由于电网中此类设备数目庞大，设备的累计能耗巨大。以某供电公司为例，其 220 kV，110 kV，35 kV 及以下断路器分别约有 200，400，3000 台，隔离开关分别约有 600，1600，4000 台。据粗略估算，依照母线的平均负荷水平，220kV 设备额定电流约 1?600?A，110?kV 设备额定电流约 800A。按照试验测量，导电面被氧化设备接触面处压降约为20~40 mV。按照年开机时间为 8000 h，设备投运率 λ 为 65 % 计算，全年损耗电量约为768 kWh。
其次，接触电阻增大，也必然造成连接处发热，损伤导电接触面。

2 电力复合脂的性能及导电原理
2.1 电力复合脂的性能
      电力复合脂又称导电膏，是以矿物油、合成脂类油、硅油作为基础油，加入导电、抗氧、抗腐、抑弧等特殊添加剂，经研磨、分散、改性精制而成的糊状膏体。将其涂敷于导体接触面，可减少接触电阻，降低接头温升。同时，对连接点处也起到油封作用，从而减少空气和腐蚀性气体、尘埃、水分对导体的氧化和腐蚀，提高接触面的导电可靠性。导电膏无毒、无味、耐高温、滴点温度高 ( 可达 105 ℃ )、抗氧化、抗潮湿、抗酸碱、耐电化腐蚀和化工气体腐蚀，具有高温不流淌、低温不龟裂、理化性能稳定等优良特性。
2.2 电力复合脂的导电原理
      由于微观粒子具有波粒二象性，量子力学认为：由于电子的波动性，即使电子不具有足够的能量从势垒顶部翻越过势垒，它们仍然能够在势垒的一边消失，而在势垒的另一边出现，因而可以在相互靠近但并不接触的导电粒子之间进行传递，使体系导电。这种现象在量子力学上被称之为“隧道效应”。试验证明：在 2 片金属间夹有极薄的绝缘层时（约几纳米），便形成了一个隧道节，在隧道节两端势能形成势垒 V 时，导体中有动能 E 的部分微粒子在 E ＜ V 的条件下，仍可以从绝缘层的一侧通过势垒而到达另一侧。

     电力复合脂的主要成分是不导电的矿物油类，本身并不能导电，其导电原理正是利用了“隧道效应”所形成的隧穿电流来完成的。在显微镜下，可清楚看到：涂上导电膏后，接触面间的全部空隙均被导电膏填满，在“隧道效应”的作用下原本不接触、不导电的部位开始导电；从微观上看，导电面形成了许多网状通道，增加了导电截面间的“接触点”，
扩大了实际有效导电面积，从而大大改善了搭接区域的导电状况。

3 电力复合脂的使用
3.1 涂敷环境
      应尽量在干燥、无凝露且尘土较少的环境中涂敷电力复合脂。
3.2 接触面处理
      在涂敷电力复合脂前，必须用砂纸或钢丝刷等对导电面进行彻底打磨，去除毛刺、麻点、油污和氧化膜等，使接触面保持平整。打磨时注意砂纸使用的力度，不可过于用力，由于许多导电面表面镀银，打磨力度过大会破坏镀银层。打磨完毕后，用蘸有无水酒精 ( 或丙酮 ) 的棉纱擦拭干净，待无水酒精挥发后均匀涂敷电力复合脂。
3.3 涂层厚度
      导电膏并非良导体，它在接触面上的导电性是借助于“隧道效应”来实现的。因此，导电膏不可涂得太厚，应保持在 0.15 ～ 0.2?mm，且涂敷均匀。否则，不但不能提升导电性能，还会造成接触面导电性能下降，影响导电效果。
4 结束语
      某供电公司自 1996 年采用电力复合脂替代工业凡士林进行导电面处理以来，大电流设备导体接触面发热的现象大大减少。考虑到近些年工业化的发展，在用电负荷不断攀升的情况下，该供电公司每年发热缺陷发生的次数由原来的 100 余次，降为不多于 20 次。这表明采用电力复合脂抑制导体接触面发热的效果显著。