电信设备用电磁继电器的失效分析研究

宋好强，韦祥杨

（中兴通讯股份有限公司，广东深圳518055）

电信设备用电磁继电器的失效分析研究

宋好强，韦祥杨

（中兴通讯股份有限公司，广东深圳518055）

在分析电磁继电器的结构及工作原理的基础上，结合该公司研发、生产和工程实践的积累，总结了电磁继电器在通信设备中使用的、常见的失效模式及失效机理；并按照失效分析的基本准则，通过两个具体案例的分析研究，阐述了电磁继电器的固有质量、应用设计质量和物料选型等三者在产品中同等的重要性，对改进产品设计和提高产品可靠性所具有的重要意义。

电磁继电器；失效分析；固有质量；应用设计；应用选型

0 引言

电磁继电器是一种电子控制器件，属于机电类元件，在系统中起着自动控制、安全保护和电路转换等作用。由于其在控制电路中具有独特的电气和物理特性优势，如输出回路接通和切断接近理想开关，结构灵活多样且标准化等，所以，随着自动化控制的进一步发展，其将在航空航天、机械加工、能源开发、汽车控制和电信设备等领域中继续扮演着重要的角色[1]。本文针对电信设备用电磁继电器进行失效分析研究，总结其在设计、生产和应用中所存在的问题，并提出改进措施，有助于促进继电器的可靠生产和使用。

1 电磁继电器的结构及工作机理

电磁式继电器一般由输入回路和输出回路两部分组成，输入回路起控制作用，输出回路构成系统功能电路。如图1所示，输入回路主要由线圈、铁芯、衔铁、推动杆和轭铁等组成，输出回路由动触点、静触点、动簧片和静簧片等部分组成；由于其流过的电流较小，一般不需要安装灭弧装置，但在实际的应用中需要根据负载类型来选择适当的灭弧电路。当线圈两端加上电压，线圈就会有电流流过，从而产生电磁效应，电流足够大时，衔铁在电磁力的吸引作用下吸向铁芯，进而通过推动杆带动动簧片和动触点与静触点接触，达到输出回路电路接通。当线圈断电后，电磁效应也随即消失，衔铁在动簧片的反作用力下返回初始位置，同时动触点与静触点断开，输出回路切断[1-2]。

图1 电磁式继电器的典型结构图

2 电磁继电器的失效模式及失效机理

电磁继电器失效分析是指采用一定的方法手段，找到继电器为什么失效的过程。通常而言，其失效分析从信息收集开始，到报告输出和结果追踪验证结束，为了使分析结果准确，分析遵循的基本原则为:先外后内、先一般后特殊、先无损后有损、先物理后化学等[3-4]。我司各种型号设备均大量使用电磁继电器，包括信号继电器和功率继电器，有些单板甚至使用100个继电器，在研发、生产和工程等各阶段遇到过各种各样的故障问题，经综合分析验证，继电器失效不仅跟器件本身设计和制造工艺有关，同时跟应用设计、产品应用选型有很大的关系，表1为我司设备用电磁继电器的失效情况统计表。事实上，由于生产工艺和设计能力的不足，在电磁继电器贮存、运输和使用过程中，存在大量的其他类型的失效模式和失效机理[4]。

3 失效案例分析

3.1 失效案例一

a）失效背景

某型号继电器为DPDT表贴继电器，其内部链接原理如图2所示，器件出厂前通过厂家一系列的检测，但某批次物料在我司回流焊后出现6%的功能测试不良，主要表现为3-4间接触不良。

图2 内部链接原理图

b）失效分析

对6只失效样品进行外观和X射线检查未发现有异常，电性能检测发现继电器能正常动作，衔铁和触点转换声音清脆，但3-4间呈开路异常，故障可复现，具体的检测值如表2所示。开封镜检发现3-4间的触点存在异物，且各样品异物形貌一致，其他部分未发现异常，典型如图3所示。由于此继电器为密封型器件，排除异物是在封装后引入，那么异物应该是在原厂生产引进，或已经存在潜在风险，当外界条件满足时产生。器件出厂前都做过常规的电性能测试，且未发现有异常，所以初步判定为器件内部某个组件在一定的环境条件下挥发出有机物质，最后吸附在触点间。对异物进行50℃加热120 s，未有变化；70℃加热，50 s的异物挥发消失，说明异物可挥发。接着对异物进行FT-IR检测，如图4所示，其谱图同环二苯标准谱图一致，确认异物为环二苯。经供方排查，继电器铁芯涂层的原材料中有使用环二苯，其他部分构成材料中没有环二苯，同时故障批次铁芯GC-MS分析显示，在18 min左右有环二苯气体产生，确认异物来源于铁芯涂层。

表1 电磁继电器的失效情况

表2 故障继电器的电性能检测项目及结果

图3 异物1 000 X放大形貌

图4 异物谱图及环二体标准图谱对比图

图5 铁芯涂层工艺流程图

铁芯涂层工艺流程如图5所示，首先，原材料环二苯在原料室150℃/133 Pa条件下进行气化；然后，在热分解室680℃/133 Pa条件下热分解为单体；最后，在蒸着室25℃/13 Pa条件下合成聚合物粘着在铁芯上。对供应商铁芯生产现场和生产记录进行审查，发现故障批次物料生产时蒸着室的腔压比其他良品批次的波动较大，且压力值总体偏高，同时环二苯原料留样粒子直径的波动较大。进一步的实验验证显示，气化炉产生气体量多少受环二苯粒子大小一致性的直接影响，由于故障批次环二苯原料粒子大小的波动较大，导致在150℃气化过程中，环二苯气化的气体量不稳定，过量的环二苯气体流入热分解炉，部分未能分解为单体而直接进入到蒸着室，最后粘附在铁芯上。

c）分析结论

由于用于生产继电器铁芯涂层的粒子原料大小的波动大，气化后产生的环二苯气体量不均匀，导致部分环二苯气体在热分解室未能完全分解为单体而直接进入蒸着室，并粘附在铁芯上，经回流焊高温冲击后，环二苯挥发，最后吸附在继电器的常开触点间，造成触点开路异常。

d）改进措施

1）供方对原材料环二苯各批次颗粒大小进行筛选控制；

2）供方每批铁芯生产，均需要对气化室、热分解室和蒸着室的腔压进行实时监控；

3）供方对每批铁芯进行GC-MS检测，确保出厂的铁芯有机涂层不含有环二苯。

3.2 失效案例二

a）失效背景

某型号通信基站用不间断电源在小批量生产验证阶段，性能参数测试发现有多台电源控制面板显示工作在逆变模式，但实际输出是旁路电压，输出继电器没有作相应的切换，故障率超过10%。电源所选用的继电器触点为SPDT形式，如图6所示，触点标称容量为16 A/250 VAC。电源在设计原理上旁路模式工作在继电器的常闭触点，逆变模式工作在动合触点，输出额定负载为2 kVA/1.4 kW，正常工作时流过继电器触点的电流小于触点额定电流。

图6 继电器接线原理图

b）失效分析

继电器无法正常切换，可能存在以下几个原因:1）继电器线圈驱动电压问题；2）继电器线圈故障；3）触点超行程不足，触点虽然动作但没有接触上或接触不良；4）继电器触点过载，在切换过程中熔融造成粘连；5）继电器批次质量问题，内部异物或转换结构异常[5]。首先，拆开故障设备外壳，检查继电器外观没有发现异常，检测线圈电阻也未有异常；然后，搭建电路对故障设备进行上电测量，检测发现继电器线圈两端电压和静态电流均正常，排除第一和第二种可能。轻敲继电器外壳，继电器触点能正常切换，且设备面板显示正常，再连续切换几次，继电器切换正常，故障不复现，初步判断为触点发生了粘连，触点有异物或转换装置卡死等。将故障继电器解焊，单独测量继电器性能，性能完好，X射线检查也为发现异常。小心拆开外壳，检查发现常闭触点有拉弧烧蚀痕迹，典型如图7所示，其他未发现有异常，所以定位为触点过载烧毁粘连。

图7 触点烧蚀形貌

按照设计要求，研发人员坚定地认为触点不可能存在过载情况，而能谱分析显示触点材料也未有异常，分析陷入困境。为找到故障根因，决定在故障设备进行复现实验，同时在切换的时候监测触点电流的变化情况。经多次切换，发现触点存在电流尖峰，如图8所示，电流大小为40～70 A左右，脉宽大约为200 μs，当出现电流尖峰时，继电器也随即失效，失效现象同故障样品一致，说明继电器触点是由于负载电流尖峰导致粘连失效。进一步地分析发现，触点输出回路接入一个EMI滤波器，其原理图如图9所示，去掉滤波器或仅去掉滤波器X电容（C1、C4），电流尖峰不再出现，且无继电器失效，说明滤波器的X电容直接影响尖峰电流的产生。但疑惑的是，为什么不是每次切换都有电流尖峰产生，而只有以一定的概率出现？深入地分析发现，原来电源逆变模式与旁路模式转换存在严格的锁相要求，由于锁相存在问题误作正常而强行切换，此时引起很大的冲击电流，造成触点过载。

为了进一步地验证分析定位的准确性，在没有做任何改进的情况下，换用我司同代码其他品牌器件做实验。在接入EMI滤波器的条件下，电磁继电器切换同样检测到有电流尖峰产生，但是触点没有粘连，仔细分析两品牌器件规格书，发现有故障品牌没有给出常闭触点的负载分断能力，而另一品牌则明确定义常闭和常开触点负载能力均为16 A/ 250 VAC。经同供应商反馈，并要求给予答复，最后供方承认其器件常闭触点负载能力仅为8 A/250 VAC，至此所有的问题均得到解决。

c）分析结论

1）由于产品研发设计不足，触点回路的容性负载过大，且系统存在误动作强制切换的情况，导致切换时存在电流尖峰；

2）电磁继电器选型存在问题，同代码下没有进行充分的兼容替代验证，同时也暴露出设计人员对继电器负载分断能力的认识不足。

图8 触点上有电流尖峰图

图9 输出滤波器原理图

d）改进措施

1）研发重新设计锁相电路，避免存在失锁而误动作情况；

2）触点输出EMI滤波器C1电容并联足够大电阻，去除切换电流尖峰；

3）后续研发产品，需要明确地测定触点负载特性和触点实际的电应力情况；

4）我司对供方产品规格书有更加明确的要求，触点分断和接通能力必须有严格的规定。

4 结束语

电磁继电器由于其结构原理、动作过程和非线性能量转换等特性，决定了其本身具有一些固有特征，生产和应用中出现失效不可避免，对其进行失效分析，就器件本身而言，提出工艺和可靠性改进措施，可提高电磁继电器的固有质量；就其应用而言，从分析出的失效机理出发，采取切实的改进措施、更严谨的设计验证方法和更完善的管理机制，可提高设备的可靠性。

[1]任万滨，余琼，翟国富，等.转换型电磁继电器电接触失效分析[J].电工材料，2011（1）:14-23.

[2]秦斌，冯英.轻松学继电器与可编程控制器[M].北京:科学出版社，2009.

[3]陈守金.连接器失效分析方法与应用[J].机电元件，2011，31（5）:35-38.

[4]黄姣英，胡振益，高成，等.军用电磁继电器失效分析研究[J].现代电子技术，2013，36（10）:131-135.

[5]蔡永健，黄爱国.电磁继电器触点接触电阻分析[J].机电元件，2011，31（3）:60-62.

[6]王香芬，高成，付桂翠，等.电磁继电器电测失效分析技术研究[J].低压电器，2011（2）:6-10.

Failure Analysis of Electromagnetic Relay Used in
Communications Equipment

SONG Hao-qiang，WEI Xiang-yang
（ZTE Corporation，Shenzhen 518055，China）

Based on the analysis of the structure and working principle of electromagnetic relay and the author's experiences on R&D，production and engineering practices，the common failure modes and failure mechanisms of electromagnetic relays used in communication equipment are summarized.In accordance with the basic norms of failure analysis，two specific cases are studied.It is shown that the inherent quality，application design quality and the material selection are equally important and significant to improve product design and reliability.

electromagnetic relays；failure analysis；inherent quality；application design；application selection

TM 581.3

：A

：1672-5468（2014）04-0016-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.005

2014-02-10

2014-02-24

宋好强（1970-），男，河南郑州人，中兴通讯股份有限公司物流质量部工程师，副部长，从事电子装联工艺和电子元器件的测试分析工作。