低压电器机械开关电接触可靠性分析及应用

吴斌

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000）

低压电器机械开关电接触可靠性分析及应用

吴斌

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000）

电接触可靠性是低压电器机械开关可靠性的一个重要方面，特别对小容量低压电器机械开关(如继电器、断路器)，二者的关系更加密切。电触头是低压电器中的关键元件，其性能直接影响到低压电器机械开关电接触可靠性。本文介绍了低压电器产品中常用电触头的特性及其应用领域。给出了低压电器产品选用电触头的建议和应用实例。

机械开关；电接触可靠性；电触头

低压电器开关应用十分广泛，电触头是这些低压电器开关中的关键元件, 其性能直接影响到电器开关运行的可靠性。不同品种的低压电器有着不同的用途, 对触头也有着不同的要求。了解和认识低压电器开关电触头的特性, 在电器设计中具有重要意义。

1 电接触的可靠性

1.1 电触头的影响

以达到顺利的电气连接为目的的机械接触或连接方式我们称为电接触。电接触完成接通，保持或切断一个电路的功能，并且重复着这些操作。

按照原理划分，电接触有固定接触、滑动接触和可分合接触三种形式。无论何种接触形式，接触过渡区中都存在复杂的物理现象、化学现象、机械现象、电现象和热现象。

对于电接触最主要的要求是能够长时间地保持低且稳定的接触电阻，连接件材料应当具有良好的导电性能。电触头则是决定接触电阻低且稳定的重要元件，也是影响电接触可靠性的直接因素。

接触电阻值的大小与电触头的材料、表面粗糙度、接触形式、表面膜情况、接触力、电流大小、通电时间等有关。另外，接触电阻值的大小还与电触头的使用条件有关，如环境温度、湿度、气氛、空气中悬浮微粒数量及种类、负载种类、触点开路电压、操作频率等有关。因此触点接触电阻是随操作的次数或时间动态变化的，其变化规律是非常复杂的。

影响接触电阻的直接原因主要有：

（1）电磨损；

（2）机械弹跳与动态接触；

（3）微振磨损；

（4）表面膜的干扰效应；

（5）机械磨损。

1.2 电触头的要求

低压电器对电触头材料主要有以下要求：

（1）良好的导电性和导热性；

（2）抗熔焊性；

（3）耐电磨损性；

（4）分断大电流时不易发生电弧重燃。

触头材料追求尽可能高的电导率和热导率，触头制造中的接合和电镀工艺对触点的电接触性能有重要影响。

电触头材料种类繁多，以银基金属触头材料最为广泛，其中较有代表性的有银氧化铬(Ag-CdO)、银镍(Ag-Ni)、银钨(Ag-W)及银碳(Ag-C)四个系列。

2 电触头的可靠性

2.1 电触头使用原则

电触头所承担的任务是确保电路正常，能按设计要求接通与切断电流。使用电触头的电器制造商根据市场的使用要求，决定额定电压、电流及使用条件等技术参数，确定各部件的机能并考虑到整体设计中。电触头作为重要部件，首先要确定其材质与形状，其后在电器定型前需不断进行试验才能最终定型。电触头即便是在正确设计、正确选择触头的情况下，也会由于使用不当引起触头的异常情况。最终的使用原则还是要把选定的电触头组装在对象电器上通过试验决定。

2.2 电触头的可靠性

电触头的可靠性是指组装触头后的电器在其规定的使用条件下（电压、电流、开闭频率、负荷种类及工作环境等），保证电路无故障进行开闭的概率。

一般情况下，电触头故障在弱电负荷领域多是接触不良，在中高负荷领域多是熔焊，因此，为提高电触头在使用过程中的可靠性，在弱电负荷领域，多使用耐腐蚀性能优越的贵金属触头；在中高负荷领域，多使用抗熔焊性好的触头。在大容量电器设计中，为了使触头表面电流分散，降低电弧消耗及熔焊率，有时会尽量增加承载电流的触头数量。

2.3 电触头故障分析

有分析表明：使用机械式开闭触头的开关电器，从触头故障角度分析，主要是与接触电阻和开闭功能有关。图1是电触头故障分析系统图。设计触头时要考虑防止这类故障。

各类材料在各种使用电流范围都有产生故障的可能。即使是弱电，也可能发生熔焊；即使是强电，也不能忽视接触电阻；即使材料及设计没有问题，也可能因使用不当而发生故障。

3 电触头设计要素

电触头在电接触可靠性中占据如此重要的地位，在电触头设计中就更要全面考虑设计的合理性和可靠性，通常需要从以下方面综合进行评估。

（1）电气条件

在设计中首先要考虑电压、电流、电源类型以及负荷种类和分断电流等以满足使用要求。

（2）机械条件

还要考虑接触压力、断开力和开闭速度对触头寿命的影响。

（3）电器的使用条件

电器的使用环境、开闭频率、通电时间等外部因素同样重要。

（4）触头材料

触头材质的种类、特性和大小对触头的使用寿命也起着决定作用。

图1 电触头故障分析系统图

图2 带温度保护器的PTC制热模组

图3 保护器整体示意图

图4 温度保护器的工作原理

4 电触头设计与改进应用实例

前面论述了电触头影响电接触可靠性的主要因素及电触头设计选用的主要要求，这些都是电触头设计选型的基本原则，在实际的电气设计中需要根据低压开关的具体要求去综合考虑电触头的选取。随后我们将以工作实际案例进行说明。

我公司的产品中曾采用一种机械式双金属片温度保护器，由于其具有高的可靠性，广泛应用于家用电器中作为温度控制保护器件，也应用于图2的PTC制热模块中作为温度保护器。

在测试中我们意外发现一个现象：该制热模块在库房长久放置后直接测试，个别模块的保护器会出现接触电阻偏大；通电后再测试，接触电阻又减小到正常。如何更好地消除这种现象，保证接触电阻的稳定呢？

4.1 问题原因分析

我们从保护器的结构和原理开始分析。

（1）产品结构

温度保护器组装效果如图3所示。其中静触头底座采用金属埋入成型工艺，保证底座的稳定性；动触头固定于力学性能优异的铍铜弹性臂上，保证触头压力稳定所需的力学性能；整体装配采用金属铆钉连接；通过塑料外壳和灌封环氧树脂共同作用实现与外界环境的隔离。

（2）工作原理

该温度保护器的工作原理如图4所示，双金属片主要通过感应外界热量产生突跳，顶开动触头弹性臂，使动静触头分离，实现保护的功能。

（3）材料特性

该温度保护器选择AgNi10作为触头材料，AgNi合金是较为理想的低压电器触头材料，在100A以下具有好的灭弧性能和耐触点熔合性。材料选取具有科学合理性。

从元件的结构选型和实际使用看，没有不符合使用要求的环节，但在静态放置长久后确实有个别保护器接触电阻升高现象出现。分析确定原因是库房里在潮湿天气无法保持干燥，在库房里放置时间过久的PTC模块的温度保护器触头表面极少部分会出现氧化形成氧化膜，使接触电阻升高。而通电后，大电流会击穿氧化膜，断电后再测试，接触电阻自然降低。问题虽小，但还是有改进空间。

4.2 改善方案确定

温度保护器通过触头的开合来实现电路的通断，因此触头的接触性能至关重要。触头的接触性能一方面取决于触头的材料性能，另一方面取决于触头的接触效果。

在选择了合适的触头材料后，触头的接触效果就决定了保护器的接触效果。通常情况下，影响接触效果的因素主要包括，触头表面油污、颗粒等异物，触头表面加工光洁度，触头设计的接触方式等。

通过对加工过程的严格管控，可以在一定程度上改善前两种情况导致的接触问题。然而触头接触形式的优化设计，则可大幅改善保护器接触性能的可靠性。

正常情况下，常规的保护器触头接触形式为单点接触，理论上通过增加接触点个数，能提高接触的可靠性。当任何一个接触点受影响后，剩余的接触点仍然可以很好地满足保护器的接触性能。

基于增加接触点个数的理论，考虑采用在保护器静触点表面开槽的设计来增加接触点的个数。理论接触效果如图5所示。

图5 触头结构和接触效果对比

图6 接触效果剖面图

表1 阻值假设检验统计结果表

表2 改善效果统计

4.3 改善方案结构验证

对触头结构按方案进行了修改，实际的触头接触方式如图6所示。

4.4 改善方案性能验证

（1）触头压力对比

随机抽取不同批次的100件温度保护器进行触头压力测试，常规触头和新型触头的压力波动小，分布集中。统计结果显示新型触头的压力略大于常规触头，但触头压力差异极小。

（2）初始阻值对比

双样本假设检验结果显示（见表1），两种触头的初始阻值统计上不存在显著差异，即新型触头不影响保护器的初始阻值。

（3）产品寿命验证

依据该保护器标示的触头容量（250VAC，7A，0.7pf）测试，5K次和10K次测试后的性能指标满足保护器的要求，而且20K次寿命后保护器仍然能正常工作。

4.5 改善效果验证

对两种触头的生产良率对比显示，新型触头一次清内阻后的合格率优于常规触头，且具有统计显著性。同时，新型触头能有效改善大阻及不导通问题。改善效果统计见表2。

5 结论

从这个案例可以看出，低压开关电接触可靠性是有多种因素影响的，要根据实际使用条件具体分析进行选项才能保证。在本案例中，开关的触头材料和形状，包括电压、电流等参数在通常情况下都是符合使用要求的，也都经过多年的使用验证无误。但在特殊的存储环境和特殊的检测方法下，原来常规型号就有可能出现缺陷，必须对开关的使用包括存储条件进项全面考虑，针对使用特点选项保证最好的电接触可靠性。本案例就是对环境进行了全面分析，最终找到原因，并通过保护器触头接触点个数的增加，增大了接触几率，提升了电接触可靠性。

[1] 李震彪, 张欢, 郑必成, 徐坚. 电源电压和触点材料对继电器分断时间的影响. 低压电器(2008 No15)

[2] 陈之. 电磁继电器在汽车电器中的应用及对其触点材料的正确选择. 电子世界. 2009.11

[3] 山岸宣行. 电触头材料. 电工材料. 2011 No.2

[4] 姚芳. 触点电接触失效预测的研究. 河北工业大学论文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