前面两篇文章介绍了铜排与铜排螺栓连接的接触电阻和连接电阻效率计算，今天继续深入分析铜排螺栓连接电阻的影响因素，以大家方便工程设计时参考。
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图片来自：浙江人禾电子
一、接触电阻相关特性
1. 电接触与接触电阻构成
电接触特性方面，导体实际表面粗糙不平，铜排搭接时并非整体面接触，而是散布的点接触形式，实际接触面积远小于理论接触面积。
电流通过这些导电斑点时会发生收缩现象，导致有效导电截面减小、电流密度增加。接触压力是关键变量，压力增大时，接触斑点的数量和面积会同步增加，接触电阻随之减小，不同表面粗糙程度和接触压力下，接触电阻差距可达几千倍。
接触电阻构成上，其由收缩电阻（Rs）和膜层电阻（Rf）两部分组成，公式为R_c = R_s + R_f。收缩电阻是电流线收缩形成的附加电阻，膜层电阻则由金属表面氧化层等绝缘污染物形成。
工程中常用经验公式计算
（F 为接触压力，P 为接触压强，S 为接触面积，k 为与材料、表面状况相关的比例系数，m 为取决于接触形式和压力的指数），
虽然公式受试验条件限制有它的局限性，但也能明确反映接触电阻与压强、压力的负相关趋势。
2. 接触面分区
基于接触压强分布，接触面可分为有效接触区、非有效接触区和无效接触区。铜排螺栓连接时，因材料弹性变形和塑性变形，螺栓垫圈下方形成正应力较大的有效接触区，接触电阻最小；
向外依次为非有效接触区（压强次之，电阻较大）和无效接触区（压强极小，电阻极大）。
3、总接触电阻
总接触电阻主要由有效接触区决定，近似等于有效接触区电阻，即
其中：R_1为有效接触区电阻、R_11为非有效接触区电阻。
二、仿真分析
1. 仿真分析输入
采用多物理场耦合有限元软件，以 100mm×10mm 矩形铜母排为研究对象，设置 4×M12、3×M12、2×M12 三种螺栓布置方案，垫圈尺寸统一为 13mm×29mm×3mm，铜母排连接总长度 150mm。
先看4×M12情况吧，连接如下图：
2. 仿真分析结论
由接触面压强分布图可以看出接触面上螺栓孔周围压强最大，且以螺栓孔为中心径向向外成递减分布。
由接触面电流密度分布图可知，接触面的电流密度主要集中在压强较大的螺栓垫圈下方，即在有效接触区电流密度数值较大，非有效接触区和无效压力区电流密度较小，反映了有效接触区形成的接触电阻较小，越靠近螺栓区域的接触电阻越小。
不同搭接长度和不同螺栓预紧扭矩下连接电阻关系如图所示，可以搭接长度越长，螺栓预紧扭矩越大，连接电阻越小；
随螺栓预紧扭矩增大，连接电阻逐渐减小；当螺栓预紧扭矩较大时，螺栓预紧扭矩对连接电阻影响较小，尤其当M>40N·m时，连接电阻减小减小幅度变缓并趋于稳定；当预紧扭矩小于 40N・m 时，扭矩增大电阻急剧减小。
对比4×M12、3×M12、2×M12 三种螺栓布置方案，搭接长度对接触电阻的影响：
单列螺栓布置时，搭接长度略大于垫圈外径后，增加长度对电阻无影响；
多列螺栓布置时，搭接长度增长仅轻微降低电阻，但会增加铜材消耗和成本。
三、铜母排搭接试验
1. 试验方案
设计 6 种搭接试验方案，均采用 100mm×10mm 铜母排和 M12 标准螺栓，垫圈尺寸与仿真一致，连接总长度 150mm，设置不同搭接长度（40mm、50mm、70mm、100mm）和预紧扭矩（10N・m~80N・m），通过测量不同条件下的连接电阻验证仿真结论。
2. 试验结果
试验结果与仿真趋势高度吻合：螺栓预紧扭矩增大时，连接电阻持续减小并趋于稳定，40N・m 是关键阈值；
相同预紧扭矩下，单列螺栓布置的不同搭接长度组电阻差异极小，多列螺栓布置的长搭接组电阻仅轻微低于短搭接组。
四、西门子母线螺栓连接：
在西门子的Bus Joint Fundamentals中同样的观点，大家可以参考下
1、母排螺栓连接方式：
图 1 展示了一个螺栓连接母排接头的简化结构，两根母线通过一根螺栓连接。除特殊情况外，母线通常采用镀银处理（标准工艺）或镀锡处理（可选工艺），以提高抗腐蚀能力。
螺栓采用高强度 5 级有头螺钉，螺母则为 2 级（厚壁）螺母。接头两侧与母线接触的位置各装有一个大直径厚平垫圈，螺母下方还安装了一个开口锁垫圈，以确保接头在设备使用寿命内始终保持紧固状态。
2、母排螺栓连接电阻分析
图 2 展示了螺栓连接母线接头中的力分布情况。要获得低电阻，必须建立并维持足够的压力，并将压力分散到较大的区域。
初始状态下，两根母线仅在少数表面凸起处（或高点）接触。随着螺栓被逐渐拧紧，母线会发生变形，使更多凸起处实现接触。在设计压力下，母线的接触面积会相对较大，从而在两根母线之间形成大量平行的导电通道。
如图 2 所示，力主要集中在螺栓孔附近区域。由于该区域压力最高，当接合面被挤压得更加紧密时，该区域的表面不平整会被压平。因此，该区域的接头电阻会低于接头的其他部位。随着与螺栓孔的距离增加，压力逐渐降低，接头电阻则随之升高。超出垫圈覆盖范围后，压力会迅速下降，该区域几乎无法有效承载电流。
从图 2 中可以看出，与使用小直径垫圈或不使用垫圈相比，大直径垫圈能将夹紧力更均匀地分散到更广泛的区域。
五、结论
1、铜排螺栓连接的接触电阻核心影响因素为垫圈下方接触面积和接触面压强，垫圈尺寸既定情况下，螺栓预紧力是调节压强的关键，需控制预紧扭矩不低于 40N・m （扭矩值仅为举例目的）以保证低电阻。
2、搭接长度对接触电阻影响有限：单列螺栓布置时，搭接长度略大于垫圈外径即可，过长也无意义；多列螺栓布置时，延长搭接长度虽轻微降阻，但会增加成本，需要权衡设计。
3、工程应用中，应优先通过优化螺栓预紧力和垫圈规格保障接触性能，合理设计螺栓布置方式，无需过度追求长搭接长度，以实现性能与成本的平衡。
本文主要参考：戴罡、郭乔根等的文章《铜母排搭接方案研究与实验验证》和西门子技术文献 《Bus Joint Fundamentals》
本篇文章来源于: 新能源安全技术
