電磁繼電器導(dǎo)通失效模式與機(jī)理分析

范士海，譚士海

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

引言

電磁繼電器是一種自動(dòng)控制機(jī)電元件，它的工作原理是：用電磁開關(guān)控制，通過機(jī)械動(dòng)作使導(dǎo)體之間完成彼此接觸或斷開的轉(zhuǎn)換，使接觸導(dǎo)體具有通斷電流的能力。由于電磁繼電器是具有電磁和機(jī)械可動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電一體化元件，加之生產(chǎn)過程中大部分裝配調(diào)整是手工操作，影響其可靠性的因素較多，與其它電子元器件相比，批一致性和可靠性相對(duì)較低，屬于可靠性較差的元器件[1,2]。有資料介紹[3]：上世紀(jì)70年代，日本發(fā)射的第一顆科學(xué)衛(wèi)星，用了1 400個(gè)元器件，其中繼電器占0.9 %，但其失效數(shù)占到了總元器件失效的1.4 %。所以電磁繼電器屬失效率很高的一類元器件。

在眾多電磁繼電器的失效模式中，導(dǎo)通失效占比較大，占到失效總數(shù)的40 %以上。導(dǎo)通失效包括接觸電阻增大，接觸電阻增大且不穩(wěn)定，閉合觸點(diǎn)瞬時(shí)斷開或（長時(shí)間）斷開等模式。另外，導(dǎo)通失效還包括斷開觸點(diǎn)異常導(dǎo)通的失效模式。

下面通過一些典型的導(dǎo)通失效案例詳細(xì)介紹，分析引起各種導(dǎo)通失效模式的失效機(jī)理。為進(jìn)一步提高電磁繼電器使用可靠性提供有益的依據(jù)。

1 電磁繼電器的導(dǎo)通失效模式與機(jī)理

1.1 接觸電阻變大

閉合觸點(diǎn)的接觸電阻變大是電磁繼電器一種常見的失效模式。對(duì)于一個(gè)合格電磁繼電器，通常要求其接觸電阻小于50 mΩ。發(fā)生失效后，其接觸電阻可能變?yōu)閹装俸翚W，直至歐姆量級(jí)。

1.1.1 案例1

某型號(hào)電磁繼電器在整機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)一只失效，失效模式為觸點(diǎn)接觸電阻變大。該型號(hào)繼電器有三組主轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)：第一組1、2常開觸點(diǎn)；第二組3、4常開觸點(diǎn)；第三組5、6常開觸點(diǎn)。對(duì)該失效繼電器進(jìn)行常溫電性能測(cè)試，結(jié)果為第二組3、4觸點(diǎn)之間接觸電阻超差，阻值約為200 mΩ，而標(biāo)稱值為≤50 mΩ。

采用機(jī)械方法將繼電器啟封，在體視鏡下進(jìn)行觀察，常開觸點(diǎn)3、4表面存在明顯的燒蝕熔融現(xiàn)象，該組觸點(diǎn)周圍部件發(fā)黑，如圖1所示。常開觸點(diǎn)1、2表面也存在燒蝕熔融現(xiàn)象，但燒蝕程度比3、4觸點(diǎn)輕，如圖2所示。另一組常開觸點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯異常；繼電器銜鐵、線包等內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常，繼電器內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致繼電器失效的多余物。

圖1 常開觸點(diǎn)3、4表面燒蝕熔融現(xiàn)象

圖2 常開觸點(diǎn)1、2表面燒蝕熔融現(xiàn)象

根據(jù)以上的觀察，分析得出，該繼電器失效是由于常開主觸點(diǎn)3、4受到異常大電流的沖擊作用，造成該組常開觸點(diǎn)嚴(yán)重?zé)g，觸點(diǎn)的表面狀態(tài)發(fā)生了變化，造成該組主觸點(diǎn)間接觸電阻增大。

1.1.2 案例2

整機(jī)單位產(chǎn)品調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)1只某型號(hào)電磁繼電器一組常開觸點(diǎn)接觸電阻偏大。常溫下，按照廠家手冊(cè)對(duì)該繼電器進(jìn)行常溫電性能測(cè)試，結(jié)果為：產(chǎn)品吸合電壓、釋放電壓、線圈電阻、絕緣電阻均合格，但發(fā)現(xiàn)一組常開觸點(diǎn)接觸電阻偏大（111.8 mΩ，標(biāo)稱值為≤50 mΩ），故障復(fù)現(xiàn)。具體測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 繼電器常溫電性能測(cè)試結(jié)果

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測(cè)合格。開封后檢查繼電器內(nèi)部，線包、銜鐵、軛鐵、推動(dòng)桿、簧片等內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯異常。觸點(diǎn)表面未見明顯拉弧打火、燒蝕現(xiàn)象；但可見失效的一組常開動(dòng)、靜簧片間存在有機(jī)多余物堆積，常閉觸點(diǎn)上端也有少量有機(jī)多余物，如圖3所示。

圖3 一組常開、常閉觸點(diǎn)處存在有機(jī)物形貌

根據(jù)以上的觀察，分析得出，該繼電器常開觸點(diǎn)接觸電阻偏大是由于該組常開動(dòng)、靜簧片間存在有機(jī)多余物堆積所致。

1.2 接觸電阻增大且不穩(wěn)定

導(dǎo)通失效的另一種失效模式是接觸電阻增大且不穩(wěn)定。包括兩種情況：一種情況是失效繼電器導(dǎo)通電阻有時(shí)大于標(biāo)稱值，有時(shí)小于標(biāo)稱值，即在標(biāo)稱值上下波動(dòng)；另一種情況是接觸電阻始終大于標(biāo)稱值，但每次測(cè)試都不一致。

1.2.1 案例3

整機(jī)單位在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)1只某型號(hào)電磁繼電器失效，現(xiàn)象為一路觸點(diǎn)導(dǎo)通后導(dǎo)通電阻變大且不穩(wěn)定。

根據(jù)委托方的介紹，失效繼電器為圖4中兩個(gè)圈注處所指示的管腳間導(dǎo)通電阻變大。常溫下，對(duì)繼電器出現(xiàn)失效的兩個(gè)管腳間的導(dǎo)通電阻進(jìn)行多次測(cè)試，結(jié)果為：每次測(cè)量結(jié)果不同，導(dǎo)通電阻大部分測(cè)量值在23~45 mΩ范圍內(nèi)，偶爾會(huì)出現(xiàn)60~70 mΩ的情況（標(biāo)稱值為≤50 mΩ）。

圖4 繼電器外觀形貌

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測(cè)合格。開封后檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯異常。發(fā)生失效的內(nèi)部觸點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)存在明顯的燒蝕、打火等異?，F(xiàn)象。用掃描電子顯微鏡對(duì)繼電器出現(xiàn)失效的觸點(diǎn)表面進(jìn)行形貌觀察，除接觸部位有磨損痕跡外，其它未見明顯異常。

進(jìn)一步對(duì)繼電器失效觸點(diǎn)表面進(jìn)行能譜（EDX）分析，結(jié)果為：繼電器靜觸點(diǎn)表面除Au、Ni等元素外，還有C、O元素，說明存在有機(jī)物沾污（如圖5所示）。根據(jù)以上的檢測(cè)與觀察，分析得出：繼電器失效是由于相關(guān)觸點(diǎn)表面存在有機(jī)物沾污，使得觸點(diǎn)接觸電阻增大引起的。

圖5 繼電器靜觸點(diǎn)表面EDX圖像

1.3 閉合觸點(diǎn)瞬斷或常斷

繼電器導(dǎo)通電阻失效的第三種失效模式為閉合觸點(diǎn)完全斷開。包括兩種情況：瞬時(shí)斷開或長時(shí)間斷開；下面介紹的失效案例即屬于此種情況。

1.3.1 案例4

整機(jī)單位使用時(shí)發(fā)現(xiàn)一只某型號(hào)電磁繼電器存在瞬斷現(xiàn)象。根據(jù)廠家手冊(cè)，對(duì)失效電磁繼電器進(jìn)行常溫電性能測(cè)試，結(jié)果為合格。

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測(cè)合格。開封后觀察兩組常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)、靜觸點(diǎn)未見明顯拉弧、燒蝕現(xiàn)象；動(dòng)、靜簧片未見明顯松動(dòng)現(xiàn)象；銜鐵軸未見明顯彎曲變形痕跡，對(duì)中未見明顯異常；但可見失效電磁繼電器銜鐵間隙內(nèi)、殼體內(nèi)有白色透明及黃色（似松香類）有機(jī)類多余物（如圖6所示）。

圖6 繼電器內(nèi)部多余物形貌

進(jìn)一步對(duì)繼電器內(nèi)部白色多余物、黃色多余物進(jìn)行掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析，結(jié)果為：白色多余物成分主要含有C、O、S、Cl、Ca元素，黃色多余物成分主要含有C、O元素。

根據(jù)以上的檢測(cè)結(jié)果，分析認(rèn)為：該電磁繼電器失效是由于內(nèi)部存在非金屬活動(dòng)多余物導(dǎo)致其瞬時(shí)斷路所致。

1.3.2 案例5

某型號(hào)電磁繼電器在整機(jī)進(jìn)行搖擺試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一組常閉觸點(diǎn)斷開。根據(jù)廠家手冊(cè)，用萬用表對(duì)管腳間進(jìn)行通斷測(cè)試。發(fā)現(xiàn)一組常閉觸點(diǎn)為開路狀態(tài)。繼電器外觀檢查未見明顯異常。采用粒子碰撞噪聲檢測(cè)儀（PIND），對(duì)失效電磁繼電器進(jìn)行臥向多余物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在粒子噪聲或其它異?，F(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果為不合格。對(duì)失效電磁繼電器進(jìn)行氣密性檢測(cè)（粗檢和細(xì)檢），檢測(cè)結(jié)果為合格。對(duì)繼電器進(jìn)行X射線及CT檢查，發(fā)現(xiàn)：繼電器內(nèi)部一組常閉觸點(diǎn)存在未閉合、有間隙現(xiàn)象，另一組常閉觸點(diǎn)正常閉合；同時(shí)常開觸點(diǎn)未見明顯異常（如圖7所示）。

圖7 失效繼電器X射線檢查圖像

啟封繼電器，在體視鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)失效常閉觸點(diǎn)已表現(xiàn)為閉合狀態(tài)，另一組常閉觸點(diǎn)為正常閉合狀態(tài)；兩組常開觸點(diǎn)為正常開路狀態(tài)；分別對(duì)兩組常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)、靜簧片觀察，未見明顯拉弧、燒蝕痕跡；但發(fā)現(xiàn)其中曾開路的一組常閉觸點(diǎn)靜簧片的一側(cè)存在一個(gè)呈三角形狀、灰黑色的有機(jī)類多余物，且靜簧片接觸表面有灰色有機(jī)類物質(zhì)殘留（如圖8、9所示）。

圖8 失效常閉觸點(diǎn)靜簧片一側(cè)多余物

根據(jù)以上的檢測(cè)結(jié)果，分析得出：該電磁繼電器失效是由于一組常閉觸點(diǎn)動(dòng)、靜簧片間及其附近存在非金屬（有機(jī)類）多余物，形成絕緣層，使常閉觸點(diǎn)無法正常導(dǎo)通所致。

圖9 靜簧片內(nèi)表面有機(jī)類物殘留形貌

1.4 斷開觸點(diǎn)異常導(dǎo)通

以上介紹的案例均為閉合觸點(diǎn)接觸電阻變大（包括開路）情況，下面介紹的案例屬于另一類導(dǎo)通失效情況，即斷開觸點(diǎn)異常導(dǎo)通。與接觸電阻變大情況相比，出現(xiàn)這種失效模式的概率較低。

1.4.1 案例6

某型號(hào)電磁繼電器在整機(jī)做隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)生繼電器常開觸點(diǎn)閉合，繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)常開觸點(diǎn)功能恢復(fù)。

對(duì)該失效繼電器進(jìn)行常溫電性能測(cè)試，結(jié)果為電性能參數(shù)均符合廠家手冊(cè)要求。用粒子碰撞噪聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)失效繼電器進(jìn)行粒子碰撞噪聲檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在除背景噪聲之外的噪聲信號(hào)。用真空檢漏設(shè)備對(duì)失效繼電器進(jìn)行密封（細(xì)檢、粗檢）檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。用微焦點(diǎn)X射線儀檢查繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，未見明顯異常。

用機(jī)械方法啟封繼電器發(fā)現(xiàn)：在管殼內(nèi)、線包、常開觸點(diǎn)及常閉觸點(diǎn)附近區(qū)域均存在可動(dòng)的顆粒狀松香多余物，如圖10和圖11所示。

圖10 繼電器管殼內(nèi)部松香形貌

圖11 常開觸點(diǎn)及常閉觸點(diǎn)區(qū)域松香形貌

鑒于繼電器管殼內(nèi)、線包、常開觸點(diǎn)及常閉觸點(diǎn)附近區(qū)域均存在大量可動(dòng)的顆粒狀松香多余物，由于繼電器內(nèi)部各部件之間的間隙很小，如果顆粒狀多余物剛好處于某部位，使動(dòng)簧片處于常開觸點(diǎn)吸合狀態(tài)，則導(dǎo)致其在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)瞬態(tài)常開觸點(diǎn)閉合，繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)多余物位置發(fā)生變化，常開觸點(diǎn)則恢復(fù)斷開狀態(tài)。

2 結(jié)束語

歸納起來，導(dǎo)致電磁繼電器導(dǎo)通失效的機(jī)理包括兩大方面：一是觸點(diǎn)表面狀態(tài)發(fā)生了化學(xué)或物理變化，如燒蝕氧化或接觸面變?yōu)榘纪共黄降?；二是繼電器內(nèi)部存在多余物，如觸點(diǎn)表面附著有機(jī)物，或者不導(dǎo)電的活動(dòng)多余物夾在閉合觸點(diǎn)之間，造成接觸電阻增大或完全開路。由于繼電器內(nèi)部動(dòng)作部件之間的間隙很小，尺寸極小的多余物即有可能引起繼電器失效。而且多余物引起繼電器失效具有偶發(fā)、復(fù)雜、難于復(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)，需給予特別的關(guān)注。