接觸器式繼電器的失效分析

劉幗巾 陸儉國 王海濤 趙靖英

（河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130）

1 引言

接觸器式繼電器是控制回路中起著保護、信號傳遞、隔離或功率放大等作用的電器，控制著整個電氣系統的可靠運行。接觸器式繼電器的可靠性水平的高低對于整個系統的運行起著至關重要的作用。本文以可靠性理論為基礎[1]，對接觸器式繼電器進行可靠性試驗。根據可靠性試驗結果和現場調查[2-4]，借鑒繼電器的可靠性研究[5-7]，發現觸點接觸不良是接觸器式繼電器的主要失效模式，進而根據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理。

2 接觸電阻的組成

觸點接觸不良是觸點接觸時，觸點間的接觸電阻過大。接觸電阻是指當兩導體（如繼電器的動、靜觸點）進行接觸且有電流通過時，在其兩接觸表面之間都會產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，觸點間的接觸也并非絕對平面狀態，其實際接觸面積遠小于觸點的固有截面積，觸點上的接觸面實際上是凹凸不平的，只有少數的點發生了真正的接觸，電流通過這些點時，電流發生收縮，電流路徑增長，有效導電截面減小，導致了收縮區的電阻增大，產生收縮電阻。

觸點表面往往有一層氣體吸附薄膜，同時因氧化、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、硫及其他化學物質的污染作用而逐漸形成的，這也就形成了在輕負荷、小電流情況下有較高絕緣性的膜電阻[9]。

觸點形式不同，對收縮電阻和膜電阻的影響不同。接觸面積大，觸點導電斑點多，其收縮電阻??；但是接觸面積大會使得接觸點壓強小，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

本文對凸點結構和球面觸點形式的Ag-Cu 觸點和鋸齒表面和平面觸點形式的Ag-Ni 觸點的接觸器式繼電器進行試驗，試驗按照GB/Z22201—2008《接觸器式繼電器可靠性試驗方法》進行。試驗室環境條件是溫度為25℃相對濕度為50%。電源電壓采用220V、50Hz 交流電源。觸點回路的電源采用直流24V，相應的觸點回路的電流為1A。觸點回路的負載為阻性負載。每小時循環次數為1200 次，通電持續率為50%。

依照GB/Z22201—2008，在接觸器式繼電器每次操作循環的“接通”期的40%時間內與“分斷”期的40%時間內，監測觸點接通時其兩引出端間的電壓降與觸點分斷時觸點間的電壓。觸點接通時其兩引出端間的電壓降超過觸點回路電源電壓的10%，判為觸點接觸不良，觸點分斷時觸點間的電壓低于觸點開路電壓的90%判為觸點分斷不良[10]。

4 凸點結構和球面觸點形式的Ag-Cu 觸點的失效分析

本文試驗中一組試品的觸點材料為Ag-Cu 復合材料。該材料的觸點導電性能好，在整個電器開關領域中獲得廣泛使用。試驗的試品的觸點結構形式有差異，觸點有如圖1 所示兩種形式：球面接觸的觸點結構和表面有凸點結構。試品其他部件完全相同。試驗試品觸點組合均是4 常開4 常閉，試品的機械壽命為300 萬次，電壽命為50 萬次。

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

球面接觸結構觸點的接觸平面較大，收縮電阻較小，膜電阻較大。有凸點表面的觸點，接觸受力相對集中的多，有利于破壞表面膜進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。試驗采用相同的試驗條件進而對比試驗。試驗與失效對比情況見表1。

表1 不同觸點的失效數據比較 Tab.1 Failure data of different type contactors

在試驗104次以內的早期階段，表面有凸點的試品的單臺試品的平均失效次數要比球面觸點結構的試品少。在相同壓力下，表面有凸點比球面接觸觸點具有更大的壓強，對觸點表面膜具有更大的破壞作用，失效次數少。但隨操作次數的增加，觸點表面膜已被破壞清除，所以試驗過程中的球面觸點和凸點觸點的試品失效次數差別不大。

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

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

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

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

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

由以上分析可知，接觸器式繼電器的觸點出現接觸不良，主要由于觸點表面加工不良以及觸點表面污染造成。污染物為塵土顆粒、金屬氧化物，硫化物等無機化合物。Ag-Cu 的觸點材料中Ag 是理想的導電材料，然而Ag 雖不易氧化，但易硫化。觸點表面的Cu，會影響觸點的接觸能力，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電性差,吸附的塵土顆粒也多為絕緣材料，所以觸點表面的污染物表現出高接觸電阻特性，這正是導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形式的Ag-Ni 觸點的失效分析

可靠性試驗的另一組試品的觸點材料為Ag-Ni復合材料，這種材料既保留了Ag 基體的高導電性及良好工藝性，又兼備Ni 高熔點、高硬度、耐電蝕損及抗熔焊性等特性。這種材料導電導熱性好，接觸電阻低而穩定。

本組試驗試品觸點組合仍是4 常開4 常閉，試品的機械壽命為300 萬次，電壽命為50 萬次。觸點形狀有所區別：一種是有鋸齒紋路的，如圖3 所示；另一種是光滑的平面。4 個試品為表面為鋸齒紋路的觸點，4 個試品為表面光滑的平面觸點采用相同的試驗參數，進行試驗。

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

不同觸點形狀的接觸器式繼電器的失效數據見表3：試驗結果表明，前10 000 次屬于試品早期失效期間，鋸齒狀觸點的試品失效數比觸點光滑平面的試品失效數少，但在10 000～400 000 次試品的偶然失效期內接觸器式繼電器觸點表面為平面和鋸齒狀對產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的失效數據比較 Tab.3 Failure data of contactor relays with smooth contacts and the samples with serrated contacts

鋸齒狀表面的觸點在彼此接觸時，接觸面可以增大觸點接觸壓強，清除觸點表面膜，降低觸點間的接觸電阻，因而在觸點操作早期，鋸齒狀表面的觸點要比平面接觸的觸點失效次數減少。但隨著操作次數的增加，從圖3 中觸點接觸的下半部，可以清楚看出觸點表面出現變形，鋸齒紋路消失，鋸齒紋路已經磨平，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，兩種觸點的試品出現的失效數基本相同。

對觸點進行表面分析，分析觸點表面的形態和觸點表面成分材料，觀測觸點表面顆粒的形貌，以及表面成分如圖4 所示，研究接觸器式繼電器觸點接觸電阻的影響。

圖4 試品觸點的表面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。顆粒的性質應為觸點碎末和塵土的混合物。圖4b 觸點表面吸附直徑約為20μm 顆粒，顆粒屑狀的顆粒，含有 Ag、Ni、K、Ca、Mg、Al、O等元素。顆粒應為觸點操作產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表面的顆粒是多個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接觸不良的主要原因是觸點表面的污染物造成的。觸點的鉚壓、產品組裝中因周圍環境的污染，觸點表面沾污吸附塵埃、有機蒸氣等。觸點表面不是封裝的，而是裸露在空氣中，使用時也會有吸附污染物，塵埃等污染物在觸點表面沉積，形成表面膜，造成觸點接觸電阻過大，導致接觸不良失效。觸點在閉合分斷操作時，會有機械碰撞導致的金屬晶粒疲勞產生的碎屑，碎屑中的Ni 的氧化物導電性差，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間接觸不良，觸點間過大且不穩定的接觸電阻。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定接觸電阻：

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

（2）選擇合適的觸點接觸形式：選擇接觸面較小接觸壓強較大的接觸形式。

（3）選擇適當的觸點材料：選擇觸點材料應具有較高的硬度，當設計鋸齒接觸面觸點時，不應隨著操作的增加，磨去觸點花紋。選擇的材料化學穩定性高，抗污染和抗腐蝕的能力強，就不易產生有機膜。

7 結論

本文對接觸器式繼電器進行了可靠性試驗，試驗結果表明：觸點形狀不同，試品的失效次數不同。有凸點的觸點工作可靠性比球面高，表面鋸齒的觸點失效次數比平面觸點少。通過觸點SEM 和XES分析，引起試品發生接觸不良的原因是觸點表面的污染物造成的。因此，提出建議，通過提高觸點壓強，選擇觸點接觸面，選擇適當的觸點材料等方法提高觸點接觸性能。

[1] 陸儉國，王景芹.低壓保護電器可靠性理論及其應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

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