接觸器式繼電器的失效分析

劉幗巾 陸儉國 王海濤 趙靖英

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130）

1 引言

接觸器式繼電器是控制回路中起著保護(hù)、信號傳遞、隔離或功率放大等作用的電器，控制著整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。接觸器式繼電器的可靠性水平的高低對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文以可靠性理論為基礎(chǔ)[1]，對接觸器式繼電器進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。根據(jù)可靠性試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查[2-4]，借鑒繼電器的可靠性研究[5-7]，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不良是接觸器式繼電器的主要失效模式，進(jìn)而根據(jù)電接觸理論接觸電阻的組成，分析接觸器式繼電器的失效機(jī)理。

2 接觸電阻的組成

觸點(diǎn)接觸不良是觸點(diǎn)接觸時(shí)，觸點(diǎn)間的接觸電阻過大。接觸電阻是指當(dāng)兩導(dǎo)體（如繼電器的動、靜觸點(diǎn)）進(jìn)行接觸且有電流通過時(shí)，在其兩接觸表面之間都會產(chǎn)生大小不同的接觸電阻，若按其形式又分為收縮電阻與膜電阻兩部分[8]。

由于加工精度所限，觸點(diǎn)間的接觸也并非絕對平面狀態(tài)，其實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于觸點(diǎn)的固有截面積，觸點(diǎn)上的接觸面實(shí)際上是凹凸不平的，只有少數(shù)的點(diǎn)發(fā)生了真正的接觸，電流通過這些點(diǎn)時(shí)，電流發(fā)生收縮，電流路徑增長，有效導(dǎo)電截面減小，導(dǎo)致了收縮區(qū)的電阻增大，產(chǎn)生收縮電阻。

觸點(diǎn)表面往往有一層氣體吸附薄膜，同時(shí)因氧化、硫化等作用形成不同程度的非金屬薄膜，它們是因空氣中的氧、氮、硫及其他化學(xué)物質(zhì)的污染作用而逐漸形成的，這也就形成了在輕負(fù)荷、小電流情況下有較高絕緣性的膜電阻[9]。

觸點(diǎn)形式不同，對收縮電阻和膜電阻的影響不同。接觸面積大，觸點(diǎn)導(dǎo)電斑點(diǎn)多，其收縮電阻??；但是接觸面積大會使得接觸點(diǎn)壓強(qiáng)小，排除和破壞表面膜的能力小，所以其膜電阻大。接觸面積小的情況正好相反。

3 接觸器式繼電器的可靠性試驗(yàn)

本文對凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和球面觸點(diǎn)形式的Ag-Cu 觸點(diǎn)和鋸齒表面和平面觸點(diǎn)形式的Ag-Ni 觸點(diǎn)的接觸器式繼電器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)按照GB/Z22201—2008《接觸器式繼電器可靠性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)室環(huán)境條件是溫度為25℃相對濕度為50%。電源電壓采用220V、50Hz 交流電源。觸點(diǎn)回路的電源采用直流24V，相應(yīng)的觸點(diǎn)回路的電流為1A。觸點(diǎn)回路的負(fù)載為阻性負(fù)載。每小時(shí)循環(huán)次數(shù)為1200 次，通電持續(xù)率為50%。

依照GB/Z22201—2008，在接觸器式繼電器每次操作循環(huán)的“接通”期的40%時(shí)間內(nèi)與“分?jǐn)唷逼诘?0%時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測觸點(diǎn)接通時(shí)其兩引出端間的電壓降與觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)觸點(diǎn)間的電壓。觸點(diǎn)接通時(shí)其兩引出端間的電壓降超過觸點(diǎn)回路電源電壓的10%，判為觸點(diǎn)接觸不良，觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)觸點(diǎn)間的電壓低于觸點(diǎn)開路電壓的90%判為觸點(diǎn)分?jǐn)嗖涣糩10]。

4 凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和球面觸點(diǎn)形式的Ag-Cu 觸點(diǎn)的失效分析

本文試驗(yàn)中一組試品的觸點(diǎn)材料為Ag-Cu 復(fù)合材料。該材料的觸點(diǎn)導(dǎo)電性能好，在整個(gè)電器開關(guān)領(lǐng)域中獲得廣泛使用。試驗(yàn)的試品的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式有差異，觸點(diǎn)有如圖1 所示兩種形式：球面接觸的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和表面有凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。試品其他部件完全相同。試驗(yàn)試品觸點(diǎn)組合均是4 常開4 常閉，試品的機(jī)械壽命為300 萬次，電壽命為50 萬次。

圖1 兩批試品的觸點(diǎn) Fig.1 Two types of contacts

球面接觸結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的接觸平面較大，收縮電阻較小，膜電阻較大。有凸點(diǎn)表面的觸點(diǎn)，接觸受力相對集中的多，有利于破壞表面膜進(jìn)而快速形成可靠接觸，而使膜電阻變小，但接觸面積小，收縮電阻大。試驗(yàn)采用相同的試驗(yàn)條件進(jìn)而對比試驗(yàn)。試驗(yàn)與失效對比情況見表1。

表1 不同觸點(diǎn)的失效數(shù)據(jù)比較 Tab.1 Failure data of different type contactors

在試驗(yàn)104次以內(nèi)的早期階段，表面有凸點(diǎn)的試品的單臺試品的平均失效次數(shù)要比球面觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的試品少。在相同壓力下，表面有凸點(diǎn)比球面接觸觸點(diǎn)具有更大的壓強(qiáng)，對觸點(diǎn)表面膜具有更大的破壞作用，失效次數(shù)少。但隨操作次數(shù)的增加，觸點(diǎn)表面膜已被破壞清除，所以試驗(yàn)過程中的球面觸點(diǎn)和凸點(diǎn)觸點(diǎn)的試品失效次數(shù)差別不大。

觸點(diǎn)表面形貌、微結(jié)構(gòu)對觸點(diǎn)的接觸可靠性有重要的影響，為分析失效機(jī)理，對觸點(diǎn)做表面分析，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察觸點(diǎn)表面。使用XES 能譜圖分析觸點(diǎn)表面的組分。

圖2 是接觸器式繼電器表面的SEM 照片和相應(yīng)XES 能譜圖。圖2 中各分圖的觸點(diǎn)表面狀況描述和觸點(diǎn)所含元素見表2。

圖2 觸點(diǎn)表面SEM 照片圖和相應(yīng)觸點(diǎn)表面XES 能譜 Fig.2 SEM surface morphologies and its XES spectra of Ag-Cu contact surface

表2 圖2 中觸點(diǎn)所含成分 Tab.2 Contact elements contained in contacts of Fig.2

可以看到，觸點(diǎn)表面存在不同形狀和不同成分的顆粒和物質(zhì)。分析觸點(diǎn)電接觸，必須對這些物質(zhì)的形成進(jìn)行分析。圖2a 觸點(diǎn)表面存在顆粒，顆粒的成分較為復(fù)雜，除 C、O、Ag、Cu 成分外還含有Al、Si 塵土成分，S 元素可能是觸點(diǎn)表面的Ag 產(chǎn)生的硫化所致。圖2b、2c 和2d 中可以看出觸點(diǎn)表面存在一些出現(xiàn)絮狀物和片狀物，圖2b 中C、O、Ca 和圖2c C、O、Mg、Ca 以及圖2d Zn 等元素應(yīng)是塵土成分。

由以上分析可知，接觸器式繼電器的觸點(diǎn)出現(xiàn)接觸不良，主要由于觸點(diǎn)表面加工不良以及觸點(diǎn)表面污染造成。污染物為塵土顆粒、金屬氧化物，硫化物等無機(jī)化合物。Ag-Cu 的觸點(diǎn)材料中Ag 是理想的導(dǎo)電材料，然而Ag 雖不易氧化，但易硫化。觸點(diǎn)表面的Cu，會影響觸點(diǎn)的接觸能力，Cu 在空氣中易于氧化，生成絕緣的氧化膜。由于磨損碎屑中的氧化物導(dǎo)電性差,吸附的塵土顆粒也多為絕緣材料，所以觸點(diǎn)表面的污染物表現(xiàn)出高接觸電阻特性，這正是導(dǎo)致繼電器接觸失效的主要原因之一。

5 鋸齒表面和平面觸點(diǎn)形式的Ag-Ni 觸點(diǎn)的失效分析

可靠性試驗(yàn)的另一組試品的觸點(diǎn)材料為Ag-Ni復(fù)合材料，這種材料既保留了Ag 基體的高導(dǎo)電性及良好工藝性，又兼?zhèn)銷i 高熔點(diǎn)、高硬度、耐電蝕損及抗熔焊性等特性。這種材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，接觸電阻低而穩(wěn)定。

本組試驗(yàn)試品觸點(diǎn)組合仍是4 常開4 常閉，試品的機(jī)械壽命為300 萬次，電壽命為50 萬次。觸點(diǎn)形狀有所區(qū)別：一種是有鋸齒紋路的，如圖3 所示；另一種是光滑的平面。4 個(gè)試品為表面為鋸齒紋路的觸點(diǎn)，4 個(gè)試品為表面光滑的平面觸點(diǎn)采用相同的試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 鋸齒紋路的觸點(diǎn)及其SEM 照片 Fig.3 Serrated surface contact and its SEM photo

不同觸點(diǎn)形狀的接觸器式繼電器的失效數(shù)據(jù)見表3：試驗(yàn)結(jié)果表明，前10 000 次屬于試品早期失效期間，鋸齒狀觸點(diǎn)的試品失效數(shù)比觸點(diǎn)光滑平面的試品失效數(shù)少，但在10 000～400 000 次試品的偶然失效期內(nèi)接觸器式繼電器觸點(diǎn)表面為平面和鋸齒狀對產(chǎn)品的可靠性影響無明顯差異。

表3 光滑表面和鋸齒表面觸點(diǎn)的失效數(shù)據(jù)比較 Tab.3 Failure data of contactor relays with smooth contacts and the samples with serrated contacts

鋸齒狀表面的觸點(diǎn)在彼此接觸時(shí)，接觸面可以增大觸點(diǎn)接觸壓強(qiáng)，清除觸點(diǎn)表面膜，降低觸點(diǎn)間的接觸電阻，因而在觸點(diǎn)操作早期，鋸齒狀表面的觸點(diǎn)要比平面接觸的觸點(diǎn)失效次數(shù)減少。但隨著操作次數(shù)的增加，從圖3 中觸點(diǎn)接觸的下半部，可以清楚看出觸點(diǎn)表面出現(xiàn)變形，鋸齒紋路消失，鋸齒紋路已經(jīng)磨平，接觸狀況和平面接觸完全一致，因而在10 000～400 000 次的操作中，兩種觸點(diǎn)的試品出現(xiàn)的失效數(shù)基本相同。

對觸點(diǎn)進(jìn)行表面分析，分析觸點(diǎn)表面的形態(tài)和觸點(diǎn)表面成分材料，觀測觸點(diǎn)表面顆粒的形貌，以及表面成分如圖4 所示，研究接觸器式繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的影響。

圖4 試品觸點(diǎn)的表面SEM 及其表面成分XES 能譜 Fig.4 SEM surface morphologies and its XES spectra of Ag-Ni contact surface

表4 圖4 中觸點(diǎn)所含成分 Tab.4 Contact elements contained in contacts of Fig.4

圖4a 所示，顆粒直徑約為50μm 的形狀不規(guī)則顆粒。主要成分為含有Ag、Ni、C、O、Mg、Cu、Al 等元素。顆粒的性質(zhì)應(yīng)為觸點(diǎn)碎末和塵土的混合物。圖4b 觸點(diǎn)表面吸附直徑約為20μm 顆粒，顆粒屑狀的顆粒，含有 Ag、Ni、K、Ca、Mg、Al、O等元素。顆粒應(yīng)為觸點(diǎn)操作產(chǎn)生的摩擦碎屑和塵土的混合物。K、Ca、Mg、Al、O 為大氣中懸浮顆粒污染物的主要成分。圖4c 顆粒約為100μm，不規(guī)則的絮狀物，含有Ag、Ni、C、Mg、Al、O、Fe、Cl、Si 等多種元素。顯然，顆粒中的主要成分為大氣塵埃的主要成分。從SEM 圖中可以看出在觸點(diǎn)表面的顆粒是多個(gè)微小顆粒堆積形成的。

從以上分析可以看出接觸器式繼電器觸點(diǎn)接觸不良的主要原因是觸點(diǎn)表面的污染物造成的。觸點(diǎn)的鉚壓、產(chǎn)品組裝中因周圍環(huán)境的污染，觸點(diǎn)表面沾污吸附塵埃、有機(jī)蒸氣等。觸點(diǎn)表面不是封裝的，而是裸露在空氣中，使用時(shí)也會有吸附污染物，塵埃等污染物在觸點(diǎn)表面沉積，形成表面膜，造成觸點(diǎn)接觸電阻過大，導(dǎo)致接觸不良失效。觸點(diǎn)在閉合分?jǐn)嗖僮鲿r(shí)，會有機(jī)械碰撞導(dǎo)致的金屬晶粒疲勞產(chǎn)生的碎屑，碎屑中的Ni 的氧化物導(dǎo)電性差，吸附的塵土顆粒也多是絕緣顆粒，這些都使接觸電阻增高，造成觸點(diǎn)的接觸不良。

6 改善接觸器式繼電器接觸不良的措施

接觸器式繼電器的主要失效模式是觸點(diǎn)間接觸不良，觸點(diǎn)間過大且不穩(wěn)定的接觸電阻。對于觸點(diǎn)間接觸電阻過大造成的失效，可以采取以下措施來減小與穩(wěn)定接觸電阻：

（1）增加觸點(diǎn)接觸力，一方面是將已接觸的斑點(diǎn)變形，使這點(diǎn)的接觸面積增加，同時(shí)又使更多的點(diǎn)發(fā)生接觸，另一個(gè)作用是可以將表面膜壓碎，從而使接觸電阻減小并保持穩(wěn)定。然而增加觸點(diǎn)接觸力，會增加電磁系統(tǒng)的尺寸，增加產(chǎn)品的功率損耗。因而不能簡單增加觸點(diǎn)接觸力，減少觸點(diǎn)接觸電阻。

（2）選擇合適的觸點(diǎn)接觸形式：選擇接觸面較小接觸壓強(qiáng)較大的接觸形式。

（3）選擇適當(dāng)?shù)挠|點(diǎn)材料：選擇觸點(diǎn)材料應(yīng)具有較高的硬度，當(dāng)設(shè)計(jì)鋸齒接觸面觸點(diǎn)時(shí)，不應(yīng)隨著操作的增加，磨去觸點(diǎn)花紋。選擇的材料化學(xué)穩(wěn)定性高，抗污染和抗腐蝕的能力強(qiáng)，就不易產(chǎn)生有機(jī)膜。

7 結(jié)論

本文對接觸器式繼電器進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：觸點(diǎn)形狀不同，試品的失效次數(shù)不同。有凸點(diǎn)的觸點(diǎn)工作可靠性比球面高，表面鋸齒的觸點(diǎn)失效次數(shù)比平面觸點(diǎn)少。通過觸點(diǎn)SEM 和XES分析，引起試品發(fā)生接觸不良的原因是觸點(diǎn)表面的污染物造成的。因此，提出建議，通過提高觸點(diǎn)壓強(qiáng)，選擇觸點(diǎn)接觸面，選擇適當(dāng)?shù)挠|點(diǎn)材料等方法提高觸點(diǎn)接觸性能。

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