接觸器式繼電器可靠性指標的確定

王宏華

（寧夏電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗所 寧夏 銀川 750001）

0 引言

目前，國際上對控制類電器的可靠性指標研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，提出了失效率作為可靠性標準，以失效率的高低劃分可靠性等級，并制定了其可靠性標準。國外典型的可靠性標準MIS-R-39016《有可靠性指標的電磁繼電器總規(guī)范》、日本的工業(yè)標準JIS C 5440《有可靠性要求的控制用小型繼電器通則》等，都將失效概率的高低作為評價可靠性的指標。我國也制訂了一些電器的可靠性標準，如GB/T15510國家標準《控制用電磁繼電器可靠性試驗通則》、GBl0962《機床電器可靠性通則》、JB/Tl0522-2005《小容量交流接觸器可靠性試驗方法》等，為電器可靠性研究提供了基礎(chǔ)。

1 接觸器式繼電器的失效模式

1.1 觸點間接觸電阻過大

接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成。觸點上的接觸面實際上是凹凸不平的，只有少數(shù)的點發(fā)生)真正的接觸，電流通過這些點時，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，這就是收縮電阻。導(dǎo)電斑點表面存在有一定電導(dǎo)率的膜，則電流流過觸點接觸面時還會有膜電阻。這兩部分附加的總電阻稱為接觸電阻。接觸電阻過大，會造成觸點間接觸不良。

生產(chǎn)工藝污染，觸點材料氧化或化學(xué)腐蝕，以及觸點表面附著污物，這些均會導(dǎo)致接觸器式繼電器的接觸電阻過大。當(dāng)觸點用來接通小電流時，觸點間被污染的形成的表面膜會使接觸電阻不穩(wěn)定，從而使觸點電路可能發(fā)生時通時斷，即觸點間接觸不良現(xiàn)象，甚至觸點間根本電流不通的現(xiàn)象，這些都嚴重影響著接觸器式繼電器的工作可靠性。

對于觸點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。

1.1.1 選擇足夠的觸點接觸力

觸點接觸力的作用一方面是將已接觸的點壓皺變形，使這點的接觸面積增加，同時又使更多的點發(fā)生接觸。所以觸點接觸力越大，接觸電阻越小，這樣接觸電阻越小，這樣當(dāng)流過相同電流時觸點的發(fā)熱就會大大減輕。觸點接觸力的另一個作用是可以將表面膜壓碎，從而使接觸點則減小并保持穩(wěn)定(浙中能力稱為清膜能力)。

1.1.2 選擇合適的觸點接觸形式

一般有點接觸、線接觸、極面接觸三種接觸形式。一般來說面接觸的觸點數(shù)最多，其收縮電阻應(yīng)最小，點接觸的收縮電阻應(yīng)最大。但面接觸的接觸點壓強小，排除和破壞表面的能力小，所以其膜電阻大，而點接觸的接觸點壓強大，易破壞表面膜而使膜電阻減小。對于功率較小的接觸器式繼電器，由于觸點接觸力小，所以大多采用點接觸，最大限度的破壞和清除表面膜，以獲得低而穩(wěn)定的接觸電阻;當(dāng)觸點電流較大、操作次數(shù)頻繁時，則需采用面接觸，以提高其抗熔焊及抗磨損的能力。

1.1.3 采用合理的觸點結(jié)構(gòu)

在觸點閉合時動靜觸點間應(yīng)有一定的滑動，以破壞表面膜。

1.1.4 選擇適當(dāng)?shù)挠|點材料

當(dāng)觸點材料硬度較低時就容易被壓皺變形，材料的化學(xué)穩(wěn)定性高時抗污染和抗腐蝕的能力強，就不易產(chǎn)生機膜，材料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好時有利于改善觸點的發(fā)熱情況。所以要根據(jù)接觸器式繼電器的不同要求選用不同的觸點材料。

1.2 冷焊

冷焊是在未通電室溫下或通電時觸點溫度遠未達到觸點的軟化溫度或熔化溫度時，閉合觸點出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象。觸點接觸表面在接觸力的作用下會產(chǎn)生塑性變形，一方面塑性變形使接觸表面增大，另一方面使動靜觸點表面更為接近。在完全清潔的金屬面之間，傳導(dǎo)電子接觸面運動的頻繁程度和本體金屬晶體邊界處約相等，原子間的電子云吸引著原子，使它們束縛在一起，這就在金屬接觸面之間產(chǎn)生了金屬束縛，金屬束縛隨接觸力及接觸點的溫度的增大而增大;當(dāng)金屬束縛產(chǎn)生的粘結(jié)力大于使動靜觸點分開的力時，動靜觸點發(fā)生冷焊。

冷焊一般只發(fā)生在清潔的觸點上，觸點的表面膜可以防止純凈的金屬直接接觸。因而在不顯著增大接觸電阻的前提下，觸點表面膜的存在，可減輕冷焊。同時具有潤滑的觸點可減輕冷焊。冷焊在高靈敏的弱電電器中才表現(xiàn)突出，對于大功率的接觸器式繼電器，由于分斷觸點的力較大，冷焊造成的觸點粘結(jié)，不是主要的失效形式。

1.3 熔焊

觸頭的熔焊是指兩電極接觸區(qū)域靠金屬熔化而結(jié)合在一起的現(xiàn)象，根據(jù)形成原因，熔焊又分為靜熔焊和動熔焊。

1.3.1 靜熔焊

靜熔焊指由接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱使兩觸頭接觸部分溶化，結(jié)合而不能斷開的現(xiàn)象。當(dāng)負載電流為小電流，由于接觸器式繼電器的接觸電阻的存在，負載電流流經(jīng)閉合觸點時，使導(dǎo)電斑點區(qū)域有更多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，引起導(dǎo)電斑點區(qū)域的觸頭材料強烈發(fā)熱致使觸點過熱發(fā)生熔焊，不能分斷。它的粘結(jié)的程度與觸點材料(熔點和硬度等)、觸點形狀和觸點壓力有很大的關(guān)系。

1.3.2 動熔焊

動熔焊則指分斷或接通電路過程中，觸頭接觸壓力在零值及以上附近變化時，觸頭間產(chǎn)生液態(tài)金屬橋接，或由于電弧熱流使觸頭溶化而產(chǎn)生的熔焊現(xiàn)象。當(dāng)負載電流為較大電流時，將出現(xiàn)明顯的電弧現(xiàn)象，很容易擊穿觸點表面的表面膜;觸點閉合時流經(jīng)的電流較大，在結(jié)合部位接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱很大，會去除觸點間的有機物，降低接觸電阻中的膜電阻。這時，觸點系統(tǒng)主要體現(xiàn)出的失效是觸點電弧熔焊，或稱為動熔焊。當(dāng)觸點閉合接近接觸時，觸點間有線路電壓，間隙可能被擊穿而產(chǎn)生短時電弧，觸點一旦接觸，電弧熄滅，電流接通，觸點碰撞后，一方面由于觸點碰撞時具有動能，另一方面觸點的電動斥力的作用，觸點會產(chǎn)生彈跳，觸點接觸面分離產(chǎn)生電弧，電弧使接觸面金屬熔化、氣化。觸點彈跳到最大距離后又開始重新閉合，觸點重新接觸，電弧熄滅，觸點表面熔化的金屬被擠壓散開迅速冷卻，觸點焊接。

2 接觸器式繼電器的可靠性指標

根據(jù)上述接觸器式繼電器的工作特點及其失效模式，借鑒對其他繼電器、接觸器的可靠性研究成果，選取失效率等級作為接觸器式繼電器的可靠性指標，來定量反映接觸器式繼電器的可靠性水平。失效率是指產(chǎn)品工作到t時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。接觸器式繼電器屬于控制類頻繁操作的電器，對它提出的要求是投入使用后，應(yīng)保證可靠工作，不發(fā)生故障。選用失效率作為接觸器式繼電器的可靠性指標，可以方便地定量評價產(chǎn)品的可靠性。

參考了GB/T15510-1995《控制用電磁繼電器可靠性試驗通則》和JB/T10522-2005《小容量交流接觸器可靠性試驗方法》后，為能夠準確反映產(chǎn)品的可靠性等級，本文推薦按最大失效率λmax的數(shù)值將失效率等級分為亞五級、五級、亞六級、六級、亞七級、七級(即 YW、W、YL、L、YQ、Q)。 這樣做并不是降低了可靠性要求，而是進一步細分了可靠性等級。

3 結(jié)束語

總之，進行接觸器式繼電器的可靠性研究，首先要進行接觸器式繼電器的可靠性指標的研究?？煽啃灾笜艘苋娑糠从辰佑|器式繼電器的可靠性。在完整地反映其可靠性特征的情況下，產(chǎn)品的可靠性指標盡可能少；另外，可靠性指標的制定必須深入分析接觸器式繼電器的工作特點和故障模式。可靠性指標還應(yīng)反映使用要求和當(dāng)前產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。

［l］譚德群.提高中間繼電器動作可靠性的有效措施[J].繼電器，1998，l28(3):60-61.

［2］郭彥濤，陸儉國.操作頻率對接觸器可靠性的影響[J].低壓電器，1993(6):7-10.