接触器式继电器的失效分析

刘帼巾 陆俭国 王海涛 赵靖英

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130）

1 引言

接触器式继电器是控制回路中起着保护、信号传递、隔离或功率放大等作用的电器，控制着整个电气系统的可靠运行。接触器式继电器的可靠性水平的高低对于整个系统的运行起着至关重要的作用。本文以可靠性理论为基础[1]，对接触器式继电器进行可靠性试验。根据可靠性试验结果和现场调查[2-4]，借鉴继电器的可靠性研究[5-7]，发现触点接触不良是接触器式继电器的主要失效模式，进而根据电接触理论接触电阻的组成，分析接触器式继电器的失效机理。

2 接触电阻的组成

触点接触不良是触点接触时，触点间的接触电阻过大。接触电阻是指当两导体（如继电器的动、静触点）进行接触且有电流通过时，在其两接触表面之间都会产生大小不同的接触电阻，若按其形式又分为收缩电阻与膜电阻两部分[8]。

由于加工精度所限，触点间的接触也并非绝对平面状态，其实际接触面积远小于触点的固有截面积，触点上的接触面实际上是凹凸不平的，只有少数的点发生了真正的接触，电流通过这些点时，电流发生收缩，电流路径增长，有效导电截面减小，导致了收缩区的电阻增大，产生收缩电阻。

触点表面往往有一层气体吸附薄膜，同时因氧化、硫化等作用形成不同程度的非金属薄膜，它们是因空气中的氧、氮、硫及其他化学物质的污染作用而逐渐形成的，这也就形成了在轻负荷、小电流情况下有较高绝缘性的膜电阻[9]。

触点形式不同，对收缩电阻和膜电阻的影响不同。接触面积大，触点导电斑点多，其收缩电阻小；但是接触面积大会使得接触点压强小，排除和破坏表面膜的能力小，所以其膜电阻大。接触面积小的情况正好相反。

3 接触器式继电器的可靠性试验

本文对凸点结构和球面触点形式的Ag-Cu 触点和锯齿表面和平面触点形式的Ag-Ni 触点的接触器式继电器进行试验，试验按照GB/Z22201—2008《接触器式继电器可靠性试验方法》进行。试验室环境条件是温度为25℃相对湿度为50%。电源电压采用220V、50Hz 交流电源。触点回路的电源采用直流24V，相应的触点回路的电流为1A。触点回路的负载为阻性负载。每小时循环次数为1200 次，通电持续率为50%。

依照GB/Z22201—2008，在接触器式继电器每次操作循环的“接通”期的40%时间内与“分断”期的40%时间内，监测触点接通时其两引出端间的电压降与触点分断时触点间的电压。触点接通时其两引出端间的电压降超过触点回路电源电压的10%，判为触点接触不良，触点分断时触点间的电压低于触点开路电压的90%判为触点分断不良[10]。

4 凸点结构和球面触点形式的Ag-Cu 触点的失效分析

本文试验中一组试品的触点材料为Ag-Cu 复合材料。该材料的触点导电性能好，在整个电器开关领域中获得广泛使用。试验的试品的触点结构形式有差异，触点有如图1 所示两种形式：球面接触的触点结构和表面有凸点结构。试品其他部件完全相同。试验试品触点组合均是4 常开4 常闭，试品的机械寿命为300 万次，电寿命为50 万次。

图1 两批试品的触点 Fig.1 Two types of contacts

球面接触结构触点的接触平面较大，收缩电阻较小，膜电阻较大。有凸点表面的触点，接触受力相对集中的多，有利于破坏表面膜进而快速形成可靠接触，而使膜电阻变小，但接触面积小，收缩电阻大。试验采用相同的试验条件进而对比试验。试验与失效对比情况见表1。

表1 不同触点的失效数据比较 Tab.1 Failure data of different type contactors

在试验104次以内的早期阶段，表面有凸点的试品的单台试品的平均失效次数要比球面触点结构的试品少。在相同压力下，表面有凸点比球面接触触点具有更大的压强，对触点表面膜具有更大的破坏作用，失效次数少。但随操作次数的增加，触点表面膜已被破坏清除，所以试验过程中的球面触点和凸点触点的试品失效次数差别不大。

触点表面形貌、微结构对触点的接触可靠性有重要的影响，为分析失效机理，对触点做表面分析，使用扫描电子显微镜（SEM）观察触点表面。使用XES 能谱图分析触点表面的组分。

图2 是接触器式继电器表面的SEM 照片和相应XES 能谱图。图2 中各分图的触点表面状况描述和触点所含元素见表2。

图2 触点表面SEM 照片图和相应触点表面XES 能谱 Fig.2 SEM surface morphologies and its XES spectra of Ag-Cu contact surface

表2 图2 中触点所含成分 Tab.2 Contact elements contained in contacts of Fig.2

可以看到，触点表面存在不同形状和不同成分的颗粒和物质。分析触点电接触，必须对这些物质的形成进行分析。图2a 触点表面存在颗粒，颗粒的成分较为复杂，除 C、O、Ag、Cu 成分外还含有Al、Si 尘土成分，S 元素可能是触点表面的Ag 产生的硫化所致。图2b、2c 和2d 中可以看出触点表面存在一些出现絮状物和片状物，图2b 中C、O、Ca 和图2c C、O、Mg、Ca 以及图2d Zn 等元素应是尘土成分。

由以上分析可知，接触器式继电器的触点出现接触不良，主要由于触点表面加工不良以及触点表面污染造成。污染物为尘土颗粒、金属氧化物，硫化物等无机化合物。Ag-Cu 的触点材料中Ag 是理想的导电材料，然而Ag 虽不易氧化，但易硫化。触点表面的Cu，会影响触点的接触能力，Cu 在空气中易于氧化，生成绝缘的氧化膜。由于磨损碎屑中的氧化物导电性差,吸附的尘土颗粒也多为绝缘材料，所以触点表面的污染物表现出高接触电阻特性，这正是导致继电器接触失效的主要原因之一。

5 锯齿表面和平面触点形式的Ag-Ni 触点的失效分析

可靠性试验的另一组试品的触点材料为Ag-Ni复合材料，这种材料既保留了Ag 基体的高导电性及良好工艺性，又兼备Ni 高熔点、高硬度、耐电蚀损及抗熔焊性等特性。这种材料导电导热性好，接触电阻低而稳定。

本组试验试品触点组合仍是4 常开4 常闭，试品的机械寿命为300 万次，电寿命为50 万次。触点形状有所区别：一种是有锯齿纹路的，如图3 所示；另一种是光滑的平面。4 个试品为表面为锯齿纹路的触点，4 个试品为表面光滑的平面触点采用相同的试验参数，进行试验。

图3 锯齿纹路的触点及其SEM 照片 Fig.3 Serrated surface contact and its SEM photo

不同触点形状的接触器式继电器的失效数据见表3：试验结果表明，前10 000 次属于试品早期失效期间，锯齿状触点的试品失效数比触点光滑平面的试品失效数少，但在10 000～400 000 次试品的偶然失效期内接触器式继电器触点表面为平面和锯齿状对产品的可靠性影响无明显差异。

表3 光滑表面和锯齿表面触点的失效数据比较 Tab.3 Failure data of contactor relays with smooth contacts and the samples with serrated contacts

锯齿状表面的触点在彼此接触时，接触面可以增大触点接触压强，清除触点表面膜，降低触点间的接触电阻，因而在触点操作早期，锯齿状表面的触点要比平面接触的触点失效次数减少。但随着操作次数的增加，从图3 中触点接触的下半部，可以清楚看出触点表面出现变形，锯齿纹路消失，锯齿纹路已经磨平，接触状况和平面接触完全一致，因而在10 000～400 000 次的操作中，两种触点的试品出现的失效数基本相同。

对触点进行表面分析，分析触点表面的形态和触点表面成分材料，观测触点表面颗粒的形貌，以及表面成分如图4 所示，研究接触器式继电器触点接触电阻的影响。

图4 试品触点的表面SEM 及其表面成分XES 能谱 Fig.4 SEM surface morphologies and its XES spectra of Ag-Ni contact surface

表4 图4 中触点所含成分 Tab.4 Contact elements contained in contacts of Fig.4

图4a 所示，颗粒直径约为50μm 的形状不规则颗粒。主要成分为含有Ag、Ni、C、O、Mg、Cu、Al 等元素。颗粒的性质应为触点碎末和尘土的混合物。图4b 触点表面吸附直径约为20μm 颗粒，颗粒屑状的颗粒，含有 Ag、Ni、K、Ca、Mg、Al、O等元素。颗粒应为触点操作产生的摩擦碎屑和尘土的混合物。K、Ca、Mg、Al、O 为大气中悬浮颗粒污染物的主要成分。图4c 颗粒约为100μm，不规则的絮状物，含有Ag、Ni、C、Mg、Al、O、Fe、Cl、Si 等多种元素。显然，颗粒中的主要成分为大气尘埃的主要成分。从SEM 图中可以看出在触点表面的颗粒是多个微小颗粒堆积形成的。

从以上分析可以看出接触器式继电器触点接触不良的主要原因是触点表面的污染物造成的。触点的铆压、产品组装中因周围环境的污染，触点表面沾污吸附尘埃、有机蒸气等。触点表面不是封装的，而是裸露在空气中，使用时也会有吸附污染物，尘埃等污染物在触点表面沉积，形成表面膜，造成触点接触电阻过大，导致接触不良失效。触点在闭合分断操作时，会有机械碰撞导致的金属晶粒疲劳产生的碎屑，碎屑中的Ni 的氧化物导电性差，吸附的尘土颗粒也多是绝缘颗粒，这些都使接触电阻增高，造成触点的接触不良。

6 改善接触器式继电器接触不良的措施

接触器式继电器的主要失效模式是触点间接触不良，触点间过大且不稳定的接触电阻。对于触点间接触电阻过大造成的失效，可以采取以下措施来减小与稳定接触电阻：

（1）增加触点接触力，一方面是将已接触的斑点变形，使这点的接触面积增加，同时又使更多的点发生接触，另一个作用是可以将表面膜压碎，从而使接触电阻减小并保持稳定。然而增加触点接触力，会增加电磁系统的尺寸，增加产品的功率损耗。因而不能简单增加触点接触力，减少触点接触电阻。

（2）选择合适的触点接触形式：选择接触面较小接触压强较大的接触形式。

（3）选择适当的触点材料：选择触点材料应具有较高的硬度，当设计锯齿接触面触点时，不应随着操作的增加，磨去触点花纹。选择的材料化学稳定性高，抗污染和抗腐蚀的能力强，就不易产生有机膜。

7 结论

本文对接触器式继电器进行了可靠性试验，试验结果表明：触点形状不同，试品的失效次数不同。有凸点的触点工作可靠性比球面高，表面锯齿的触点失效次数比平面触点少。通过触点SEM 和XES分析，引起试品发生接触不良的原因是触点表面的污染物造成的。因此，提出建议，通过提高触点压强，选择触点接触面，选择适当的触点材料等方法提高触点接触性能。

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