低壓電器機(jī)械開關(guān)電接觸可靠性分析及應(yīng)用

吳斌

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000）

低壓電器機(jī)械開關(guān)電接觸可靠性分析及應(yīng)用

吳斌

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000）

電接觸可靠性是低壓電器機(jī)械開關(guān)可靠性的一個重要方面，特別對小容量低壓電器機(jī)械開關(guān)(如繼電器、斷路器)，二者的關(guān)系更加密切。電觸頭是低壓電器中的關(guān)鍵元件，其性能直接影響到低壓電器機(jī)械開關(guān)電接觸可靠性。本文介紹了低壓電器產(chǎn)品中常用電觸頭的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域。給出了低壓電器產(chǎn)品選用電觸頭的建議和應(yīng)用實例。

機(jī)械開關(guān)；電接觸可靠性；電觸頭

低壓電器開關(guān)應(yīng)用十分廣泛，電觸頭是這些低壓電器開關(guān)中的關(guān)鍵元件, 其性能直接影響到電器開關(guān)運行的可靠性。不同品種的低壓電器有著不同的用途, 對觸頭也有著不同的要求。了解和認(rèn)識低壓電器開關(guān)電觸頭的特性, 在電器設(shè)計中具有重要意義。

1 電接觸的可靠性

1.1 電觸頭的影響

以達(dá)到順利的電氣連接為目的的機(jī)械接觸或連接方式我們稱為電接觸。電接觸完成接通，保持或切斷一個電路的功能，并且重復(fù)著這些操作。

按照原理劃分，電接觸有固定接觸、滑動接觸和可分合接觸三種形式。無論何種接觸形式，接觸過渡區(qū)中都存在復(fù)雜的物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象、機(jī)械現(xiàn)象、電現(xiàn)象和熱現(xiàn)象。

對于電接觸最主要的要求是能夠長時間地保持低且穩(wěn)定的接觸電阻，連接件材料應(yīng)當(dāng)具有良好的導(dǎo)電性能。電觸頭則是決定接觸電阻低且穩(wěn)定的重要元件，也是影響電接觸可靠性的直接因素。

接觸電阻值的大小與電觸頭的材料、表面粗糙度、接觸形式、表面膜情況、接觸力、電流大小、通電時間等有關(guān)。另外，接觸電阻值的大小還與電觸頭的使用條件有關(guān)，如環(huán)境溫度、濕度、氣氛、空氣中懸浮微粒數(shù)量及種類、負(fù)載種類、觸點開路電壓、操作頻率等有關(guān)。因此觸點接觸電阻是隨操作的次數(shù)或時間動態(tài)變化的，其變化規(guī)律是非常復(fù)雜的。

影響接觸電阻的直接原因主要有：

（1）電磨損；

（2）機(jī)械彈跳與動態(tài)接觸；

（3）微振磨損；

（4）表面膜的干擾效應(yīng)；

（5）機(jī)械磨損。

1.2 電觸頭的要求

低壓電器對電觸頭材料主要有以下要求：

（1）良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；

（2）抗熔焊性；

（3）耐電磨損性；

（4）分?jǐn)啻箅娏鲿r不易發(fā)生電弧重燃。

觸頭材料追求盡可能高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，觸頭制造中的接合和電鍍工藝對觸點的電接觸性能有重要影響。

電觸頭材料種類繁多，以銀基金屬觸頭材料最為廣泛，其中較有代表性的有銀氧化鉻(Ag-CdO)、銀鎳(Ag-Ni)、銀鎢(Ag-W)及銀碳(Ag-C)四個系列。

2 電觸頭的可靠性

2.1 電觸頭使用原則

電觸頭所承擔(dān)的任務(wù)是確保電路正常，能按設(shè)計要求接通與切斷電流。使用電觸頭的電器制造商根據(jù)市場的使用要求，決定額定電壓、電流及使用條件等技術(shù)參數(shù)，確定各部件的機(jī)能并考慮到整體設(shè)計中。電觸頭作為重要部件，首先要確定其材質(zhì)與形狀，其后在電器定型前需不斷進(jìn)行試驗才能最終定型。電觸頭即便是在正確設(shè)計、正確選擇觸頭的情況下，也會由于使用不當(dāng)引起觸頭的異常情況。最終的使用原則還是要把選定的電觸頭組裝在對象電器上通過試驗決定。

2.2 電觸頭的可靠性

電觸頭的可靠性是指組裝觸頭后的電器在其規(guī)定的使用條件下（電壓、電流、開閉頻率、負(fù)荷種類及工作環(huán)境等），保證電路無故障進(jìn)行開閉的概率。

一般情況下，電觸頭故障在弱電負(fù)荷領(lǐng)域多是接觸不良，在中高負(fù)荷領(lǐng)域多是熔焊，因此，為提高電觸頭在使用過程中的可靠性，在弱電負(fù)荷領(lǐng)域，多使用耐腐蝕性能優(yōu)越的貴金屬觸頭；在中高負(fù)荷領(lǐng)域，多使用抗熔焊性好的觸頭。在大容量電器設(shè)計中，為了使觸頭表面電流分散，降低電弧消耗及熔焊率，有時會盡量增加承載電流的觸頭數(shù)量。

2.3 電觸頭故障分析

有分析表明：使用機(jī)械式開閉觸頭的開關(guān)電器，從觸頭故障角度分析，主要是與接觸電阻和開閉功能有關(guān)。圖1是電觸頭故障分析系統(tǒng)圖。設(shè)計觸頭時要考慮防止這類故障。

各類材料在各種使用電流范圍都有產(chǎn)生故障的可能。即使是弱電，也可能發(fā)生熔焊；即使是強(qiáng)電，也不能忽視接觸電阻；即使材料及設(shè)計沒有問題，也可能因使用不當(dāng)而發(fā)生故障。

3 電觸頭設(shè)計要素

電觸頭在電接觸可靠性中占據(jù)如此重要的地位，在電觸頭設(shè)計中就更要全面考慮設(shè)計的合理性和可靠性，通常需要從以下方面綜合進(jìn)行評估。

（1）電氣條件

在設(shè)計中首先要考慮電壓、電流、電源類型以及負(fù)荷種類和分?jǐn)嚯娏鞯纫詽M足使用要求。

（2）機(jī)械條件

還要考慮接觸壓力、斷開力和開閉速度對觸頭壽命的影響。

（3）電器的使用條件

電器的使用環(huán)境、開閉頻率、通電時間等外部因素同樣重要。

（4）觸頭材料

觸頭材質(zhì)的種類、特性和大小對觸頭的使用壽命也起著決定作用。

圖1 電觸頭故障分析系統(tǒng)圖

圖2 帶溫度保護(hù)器的PTC制熱模組

圖3 保護(hù)器整體示意圖

圖4 溫度保護(hù)器的工作原理

4 電觸頭設(shè)計與改進(jìn)應(yīng)用實例

前面論述了電觸頭影響電接觸可靠性的主要因素及電觸頭設(shè)計選用的主要要求，這些都是電觸頭設(shè)計選型的基本原則，在實際的電氣設(shè)計中需要根據(jù)低壓開關(guān)的具體要求去綜合考慮電觸頭的選取。隨后我們將以工作實際案例進(jìn)行說明。

我公司的產(chǎn)品中曾采用一種機(jī)械式雙金屬片溫度保護(hù)器，由于其具有高的可靠性，廣泛應(yīng)用于家用電器中作為溫度控制保護(hù)器件，也應(yīng)用于圖2的PTC制熱模塊中作為溫度保護(hù)器。

在測試中我們意外發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：該制熱模塊在庫房長久放置后直接測試，個別模塊的保護(hù)器會出現(xiàn)接觸電阻偏大；通電后再測試，接觸電阻又減小到正常。如何更好地消除這種現(xiàn)象，保證接觸電阻的穩(wěn)定呢？

4.1 問題原因分析

我們從保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和原理開始分析。

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

溫度保護(hù)器組裝效果如圖3所示。其中靜觸頭底座采用金屬埋入成型工藝，保證底座的穩(wěn)定性；動觸頭固定于力學(xué)性能優(yōu)異的鈹銅彈性臂上，保證觸頭壓力穩(wěn)定所需的力學(xué)性能；整體裝配采用金屬鉚釘連接；通過塑料外殼和灌封環(huán)氧樹脂共同作用實現(xiàn)與外界環(huán)境的隔離。

（2）工作原理

該溫度保護(hù)器的工作原理如圖4所示，雙金屬片主要通過感應(yīng)外界熱量產(chǎn)生突跳，頂開動觸頭彈性臂，使動靜觸頭分離，實現(xiàn)保護(hù)的功能。

（3）材料特性

該溫度保護(hù)器選擇AgNi10作為觸頭材料，AgNi合金是較為理想的低壓電器觸頭材料，在100A以下具有好的滅弧性能和耐觸點熔合性。材料選取具有科學(xué)合理性。

從元件的結(jié)構(gòu)選型和實際使用看，沒有不符合使用要求的環(huán)節(jié)，但在靜態(tài)放置長久后確實有個別保護(hù)器接觸電阻升高現(xiàn)象出現(xiàn)。分析確定原因是庫房里在潮濕天氣無法保持干燥，在庫房里放置時間過久的PTC模塊的溫度保護(hù)器觸頭表面極少部分會出現(xiàn)氧化形成氧化膜，使接觸電阻升高。而通電后，大電流會擊穿氧化膜，斷電后再測試，接觸電阻自然降低。問題雖小，但還是有改進(jìn)空間。

4.2 改善方案確定

溫度保護(hù)器通過觸頭的開合來實現(xiàn)電路的通斷，因此觸頭的接觸性能至關(guān)重要。觸頭的接觸性能一方面取決于觸頭的材料性能，另一方面取決于觸頭的接觸效果。

在選擇了合適的觸頭材料后，觸頭的接觸效果就決定了保護(hù)器的接觸效果。通常情況下，影響接觸效果的因素主要包括，觸頭表面油污、顆粒等異物，觸頭表面加工光潔度，觸頭設(shè)計的接觸方式等。

通過對加工過程的嚴(yán)格管控，可以在一定程度上改善前兩種情況導(dǎo)致的接觸問題。然而觸頭接觸形式的優(yōu)化設(shè)計，則可大幅改善保護(hù)器接觸性能的可靠性。

正常情況下，常規(guī)的保護(hù)器觸頭接觸形式為單點接觸，理論上通過增加接觸點個數(shù)，能提高接觸的可靠性。當(dāng)任何一個接觸點受影響后，剩余的接觸點仍然可以很好地滿足保護(hù)器的接觸性能。

基于增加接觸點個數(shù)的理論，考慮采用在保護(hù)器靜觸點表面開槽的設(shè)計來增加接觸點的個數(shù)。理論接觸效果如圖5所示。

圖5 觸頭結(jié)構(gòu)和接觸效果對比

圖6 接觸效果剖面圖

表1 阻值假設(shè)檢驗統(tǒng)計結(jié)果表

表2 改善效果統(tǒng)計

4.3 改善方案結(jié)構(gòu)驗證

對觸頭結(jié)構(gòu)按方案進(jìn)行了修改，實際的觸頭接觸方式如圖6所示。

4.4 改善方案性能驗證

（1）觸頭壓力對比

隨機(jī)抽取不同批次的100件溫度保護(hù)器進(jìn)行觸頭壓力測試，常規(guī)觸頭和新型觸頭的壓力波動小，分布集中。統(tǒng)計結(jié)果顯示新型觸頭的壓力略大于常規(guī)觸頭，但觸頭壓力差異極小。

（2）初始阻值對比

雙樣本假設(shè)檢驗結(jié)果顯示（見表1），兩種觸頭的初始阻值統(tǒng)計上不存在顯著差異，即新型觸頭不影響保護(hù)器的初始阻值。

（3）產(chǎn)品壽命驗證

依據(jù)該保護(hù)器標(biāo)示的觸頭容量（250VAC，7A，0.7pf）測試，5K次和10K次測試后的性能指標(biāo)滿足保護(hù)器的要求，而且20K次壽命后保護(hù)器仍然能正常工作。

4.5 改善效果驗證

對兩種觸頭的生產(chǎn)良率對比顯示，新型觸頭一次清內(nèi)阻后的合格率優(yōu)于常規(guī)觸頭，且具有統(tǒng)計顯著性。同時，新型觸頭能有效改善大阻及不導(dǎo)通問題。改善效果統(tǒng)計見表2。

5 結(jié)論

從這個案例可以看出，低壓開關(guān)電接觸可靠性是有多種因素影響的，要根據(jù)實際使用條件具體分析進(jìn)行選項才能保證。在本案例中，開關(guān)的觸頭材料和形狀，包括電壓、電流等參數(shù)在通常情況下都是符合使用要求的，也都經(jīng)過多年的使用驗證無誤。但在特殊的存儲環(huán)境和特殊的檢測方法下，原來常規(guī)型號就有可能出現(xiàn)缺陷，必須對開關(guān)的使用包括存儲條件進(jìn)項全面考慮，針對使用特點選項保證最好的電接觸可靠性。本案例就是對環(huán)境進(jìn)行了全面分析，最終找到原因，并通過保護(hù)器觸頭接觸點個數(shù)的增加，增大了接觸幾率，提升了電接觸可靠性。

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[4] 姚芳. 觸點電接觸失效預(yù)測的研究. 河北工業(yè)大學(xué)論文2004

The analysis and application of the electrical contacts reliability of low voltage electrical mechanical switch

WU Bin
（Zhuhai GREE electric appliance company limited Zhuhai 519000）

The electrical contact reliability is an important aspect of low voltage electrical mechanical switch, especially for small capacity ones (such as relay and circuit breaker), it plays an even more important role. Electrical contact is the key component of low voltage electrical appliance because its performance can directly influence the reliability of low voltage electrical mechanical switch. This paper introduced the features and application fields of the typical electrical contacts of low voltage electrical appliances, also provided the selection advice of electrical contacts and shared the application instance as well.

Mechanical switch; Electrical contact reliability; Electrical contact