铁路信号继电器触点接触电阻变化的影响因素分析

赵正元

(沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳 110025)

1 概述

铁路信号继电器是铁路车站电气集中控制中用量最大的基础安全元件[1]。如果一台继电器中的某一触点发生故障，将直接影响整个系统的可靠运行，造成的损失远远超过触点本身的价值。继电器的触点是最重要、最易被侵蚀破坏的部位，其故障率约占继电器故障率的80%以上[2]，而触点接触电阻是衡量触点性能的一个基本而重要的参数，同时也是电接触可靠性检测中的核心问题。一台继电器触点接触电阻超标或不通的原因很复杂，各个影响因素之间又相互关联，需要从源头到结尾，全生命周期来分析触点接触电阻变大的原因，以便客观公正科学的给出评价。

2 接触电阻的概念

在铁路现场，使用直流微欧仪测试继电器触点接触电阻时，实际测量都是在接点引出端（接点片尾片）上进行的，得到的测试值是触点接触总电阻（R），总电阻为固有电阻（Rl）和接触电阻（Rj）之和，接触电阻是指电流通过触点时在接触处产生的电阻，它是收缩电阻和膜电阻之和[3]。不管是固有电阻、收缩电阻还是膜电阻，都会对触点的接触电阻造成影响，接触电阻概念如图1所示。

图1 接触电阻概念图图Fig.1 Concept diagram of contact resistance

2.1 固有电阻

固有电阻主要取决于金属材料本身的导电性能、它是触点材料自身的电阻，其数值与材料的电阻率和几何尺寸有关（公式R1=ρ·L/s，ρ为电阻系数、L为导体长度、s为截面面积）。

2.2 收缩电阻

收缩电阻是指电流通过接触面时，因电流线急剧收缩而产生的电阻增量。有些文献中也将收缩电阻称为集中电阻（其中F为接触压力，H为材料硬度，ρ为材料的电阻率，η为压力修正系数，一般η=1[4]）。

2.3 膜电阻

膜电阻是触点表面膜所产生的电阻。主要有接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层，从接触表面状态分析，表面污染膜可以分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层，表面膜电阻Rb则与表面覆盖层的性质有关。

3 影响接触电阻的因素

铁路信号继电器触点接触电阻的影响因素分别从触点材料本体、设计工艺生产、检验检测、包装储存运输、现场使用5个方面展开分解，如图2所示。

3.1 触点材料本体

触点材料本体影响接触电阻的主要表现形式有电阻率、硬度、化学性质、密度、熔点、制备工艺、金属化合物物理特性等。

电阻率：电阻率与电阻是两个不同的概念，电阻率是反映物质对电流阻碍作用的属性，电阻是反映物体对电流阻碍作用的能力大小，电阻率变化，电阻就会发生变化。触点材料的电阻与材料的横截面积、长度以及材料的本体的电阻率有关系（R=ρL/s）；同时电阻率与触点的温度有关，在温度变化不大的范围内，几乎所有金属的电阻率随温度做线性变化。

硬度：继电器两个触点相配合，触点与触点的硬度搭配，譬如动静接点间真正接触时都存在着一个导体进入到另一个导体的过渡区域，在这个区域中真正的导电截面积与硬度有关。一般意义上理解，触点硬度大对应的接触电阻就大，在实际应用中触点的硬度与实际触点的接触硬度来说是有差别的，当接触面绝大部分已塑性变形，使得接触点的压强已基本稳定时，才称之为材料的接触硬度，这个接触硬度与接触电阻就有直接的关系。

图2 接触电阻影响因素分解图Fig.2 Decomposition diagram of influence factors of contact resistance

化学性质：任何材料放置于空气中总会和周围介质发生反应，会氧化、硫化，受周围空气中的化学活力较强的物质（如硫化气体、氯、氨等）的作用，从而在接触面上产生氧化膜、硫化膜等。由于继电器接点闭合相互撞击时，这层膜就会剥落，造成接点逐步耗蚀，接触电阻越变越大；同时触点材料的抗熔焊、耐电弧侵蚀能力、材料转移都会对接触电阻造成影响。

材料的密度：触点接触电阻与材料密度有关，密度与材料中银元素的含量有关（对于银氧化镉、银碳触点来说），含量越高密度越大，密度越大静态接触电阻越小；反之，密度越小静态接触电阻越大。

材料的熔点：触点熔点的高低，直接影响到触点熔焊，同时与电弧的产生也有一定关系，对接触电阻的影响也不容忽视。

3.2 设计工艺生产

触点大小、形状：触点大小与触点所承受的电流以及触点与触点的接触面积有直接关系，直接影响承载或通过的电流大小，进而影响接触电阻。

触点接触形式：触点接触形式大体分为点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响主要表现在接触点的数目上。面接触的接触点数n最大而Rs最小；点接触则n最小，Rs最大；线接触则介于两者之间。接触形式对膜电阻Rf的影响主要是看每一个接触点所承受的压力F。在对触点外加压力F相同的情况下，点接触形式n最小，单位面积承受压力F最大，容易破坏表面膜，所以有可能使Rf减到最小；反之，面接触的F就最小，对Rf的破坏力最小，Rf值有可能最大，线接触则介于两者之间。

触点粗糙度：粗糙度对接触电阻的影响与触点上所带的负载有关系。相关研究显示对于不同负载的电触点，表面粗糙度对接触电阻的影响程度是不同的，在中、重负载用触点中，只要达到一定的负载（电流、电压、电弧、接触力等），通过电气或机械的作用，就能改变或者破坏触点的表面状态，触点表面粗糙度对接触电阻的影响甚微[5]。在轻负载、弱电流领域中，工作电压和工作电流都很低，电压为几伏至几十伏，电流为几十毫安至几百毫安，如果触点表面粗糙度大，触点表面由于吸附、氧化层、腐蚀以及周围环境等因素污染致使表面膜不断增厚，触点接触电阻就会显著增加，甚至不通。

继电器接点簧片：安放触点的接点簧片其几何尺寸、柔度、形状等都会间接或直接的影响触点的接触电阻。

接触压力：继电器接点接触压力对触点接触电阻的影响成线性关系，但增加到一定程度后，会趋于平缓。接点压力大，触点表面膜就会被压碎或击穿，接触电阻就变小；触点接触压力小，触点表面膜就不容易被破坏，膜电阻变大。触点的接触压力分为触点的初压力和终压力，初压力是指动、静触点刚接触时由触点弹簧产生的压力。其作用是限制和防止触点刚接触时产生的机械振动，从而在接通电流时产生电磨损，降低寿命；终压力是指在触点完全闭合，即动触点不再继续运动时产生的触点压力，终压力保证在闭合时接触电阻最小，触点温升不超过允许值，保证触点在通过短路电流时不至因电动斥力而产生跳动或引起熔焊，进而影响接触电阻。

接点间隙[6]：接触电阻是随着温度变化而变化的，而温度的升高和触点间的电压降的平方成正比，而触点间的电压降又与触点间隙有关系。一般为了确定接点间隙，利用击穿电压与大气压力和接点间隙间距离乘积的曲线来确定。如当试验电压为500 V（有效值），在正常大气压力下，空气间隙大约为0.06 mm时击穿，考虑到接点上的过电压，工作过程中接点间因金属转移而出现的针刺，接点弹片的变形和制造公差等情况，使接点间隙随着使用时间的增长而减小，因此，实际上选用的最小间隙应不小于0.3 mm。同时接点间隙加大可以有效灭弧，如果灭弧不力，导致接点压力减小，接点表面碳化，最终导致接触电阻增大。

接点扫程：为保证接点在工作时有可靠的电接触，在设计接点时，做成使接点在闭合过程中动接点与前接点或动接点与后接点之间有一定的扫程。扫程包括滚动和滑动两部分。滚动的作用是使触点在闭合时的撞击处与最后闭合位置的工作点之间，以及断开电路时产生电弧或火花处与闭合位置的工作分开，保证工作点不受机械撞击与电弧或火花的破坏，因而有可靠的电接触。滑动的作用是使接点表面的灰尘与氧化膜在闭合过程中能清除掉，保证接点的接触良好。虽然接点的扫程设计大一点有好处，但是一味地增大，反而使接点的机械磨损增加，并增加继电器所消耗的功耗。

触点固定方式：主要考虑触点与簧片连接方式、方法和强度与接触电阻的关系。触点固定方式分为铆接和点焊。对于铆接，触点单件铆接有加工费较低，能够高速自动铆接等优点，缺点是触点与簧片接触差，通电时接触电阻会增大，在动、静触点频繁的分断与闭合一段时间后，铆接的牢固程度与间隙均会发生变化，影响电性能的稳定。对于点焊，其原理是利用高频电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将焊件加热至局部熔化状态，形成熔核，然后断电，并在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点，使银触点与簧片焊接在一起。点焊接触电阻稳定、牢固度好，触点频繁动作后不易松动，而且焊接面能承受相对高的温度而不失效。

触点回跳：当触点闭合接近接触时，触点间有线路电压，间隙可能被击穿而产生短时电弧。触点一旦接触，电弧熄灭，电流接通，触点碰撞后，一方面由于触点碰撞时具有动能，另一方面触点的电动斥力的作用，触点会产生弹跳，触点接触面分离产生电弧，电弧使接触面金属熔化、气化。触点弹跳到最大距离后又开始重新闭合, 触点重新接触，电弧熄灭，触点表面熔化的金属被挤压散开迅速冷却，触点焊接。触点分断时或触点被电动力斥开，触点间产生电弧，电弧的高温使触点表面金属熔化和气化。当触点重新闭合时，接触表面熔化的金属凝固在一起，就可能导致动、静触点焊接在一起，发生触点熔焊。触点回跳一般发生在电路的接通和断开过程中，而很多电路负载（如感性负载、容性负载、白炽灯负载等）在接通或断开时均有较大的冲击电流，会加剧触点的磨损，甚至导致触点粘接，从而影响继电器的可靠性。同时在触点回跳时电路时通时断所形成的高频脉冲对周围电子装置来说还是一个有害的干扰信号。

接点齐度[7]：继电器接点齐度规定了普通接点、加强接点、普通接点与加强接点间的齐度。接点齐度是继电器各组接点间同时接触的误差，误差大意味着接点压力或接点间隙有偏差，从而导致接触电阻的变化。接点齐度实际是接点间隙和托片间隙共同影响的结果，而接点间隙和托片间隙又与接点扫程和接点压力有一定的关系，进而影响接触电阻。

线圈：线圈的骨架、导线以及焊接引出线时焊料等在继电器长时间使用过程会发热，散发有机气体附着在触点表面，影响接触电阻。经过绝缘漆浸渍过的继电器线圈，其散热能力比未经浸渍处理过的线圈大。同样结构的继电器，用于高原地区比用于平原地区时线圈的散热要困难的多。在铁路信号设备中，有些继电器长期工作处于脉动的状态或短时接通的状态，这两种短时接通的继电器线圈的发热情况与连续通电时线圈的发热情况不同。

磁路：磁力强弱影响衔铁、触点行程，进而影响触点压力，导致接触电阻的变化。

熄弧器：铁路信号加强接点继电器上的熄弧器在电弧高温的作用下，燃烧散发的气体会附着在触点表面，也会对触点接触电阻造成影响。

生产环节：一个成品继电器组装完成需要经过很多工序，譬如触点铆接点焊、零部件清洗、压制电木、零部件组装、调整、电气机械在线检测等生产环节，只要一点控制不完善，就会直接或间接影响触点接触电阻值。

3.3 检验检测

继电器产品使用的可靠性主要体现在触点接触的可靠性，所以触点的质量尤为重要。一枚触点在正式组装于继电器上时，需要对触点元素成份含量、表面成份分析、表面静态接触电阻测试、粗糙度、硬度等测试检验，如果触点材质和工艺达不到设计要求，会出现触点在使用中容易发黑、烧损、接触电阻变大等失效事件的发生。

除了产品本身的问题外，也会发生由于测试设备、测试方法、测试不确定度等因素的影响，导致产品接触电阻超标的现象。

3.4 包装储存运输

继电器产品在用户使用前，需要将其包装好并安全运送到目的地，到达目的地后可能还要储存一段时间，在这个过程中也会发生一些影响继电器接点接触电阻的因素。

包装方式：密封包装还是抽真空包装，一台一台包装还是五台十台包装都是有差异的。

包装材料：包装的材料是否在高温、高湿、高压下挥发，挥发的气体在狭小的空间中会附着在继电器触点上，污染触点。包装用硬材质包装盒还是软材质包装盒也会对继电器有影响。

运输方式、时间、路况等：用汽车、火车、轮船还是飞机运输，各个运输方式下出现的振动、冲击、温度和湿度环境有多大差异，这些差异对同样的包装是否能够满足运输条件等；运输方式不同，时间就不同，路况也会不同，综合考虑产品质量、运输成本等问题与继电器接触电阻之间的关系。

储存时间、环境：继电器如果在高温多湿的环境中长时间放置（包装材料、包装密封程度、包装方式等在长时间放置过程中就能体现出其重要性）或使用，接点表面会形成氧化膜或硫化膜，导致接点接触不良。

3.5 现场使用环境

现场使用环境对继电器接触电阻影响现在也越来越凸显出来。

使用电路：使用电路中的电流电压超出继电器容量，不但会引起绝缘不良、接点熔焊、接触不良等性能的损坏，甚至造成继电器自身的破损和烧坏。如果要在长时间保管后使用继电器，一定要先通电检查合格后再使用。即使继电器一直在保管状态下完全不使用，接点表面也会发生化学性变化等因素，引起接触不稳定、接触不通等问题。

人为因素：由于现场人员素质良莠不齐，可能出现下列现象对继电器接触电阻造成影响。

1）继电器发到现场，由于工程施工进度的影响，继电器可能在现场随意堆放，人为他用都对继电器接触电阻造成一定的损伤。

2）继电器安装时，未按正确的安装方式进行安装，用力或借用外力插装继电器或不小心跌落等人为原因也会对继电器接触电阻造成一定的损伤。

3）由于施工图纸或配线错误，可能在线圈上、接点上施加超高压或错误的电压以及各端子的错误配线，都会导致继电器不能正常发挥其功能，不但影响外部电路，还会造成继电器自身的破损、烧坏。

温度湿度：据XX电务段反映，有台继电器在现场测试发现接触电阻无穷大，接点不通，拿到检修所后测试继电器接点电阻又正常，再拿到现场测试，继电器接触电阻又变得无穷大，经过多次观察和高温试验后发现，确认该继电器接点在高于50℃时接点接触电阻会变得无穷大。这种现象不仅仅是接点材料的问题，有可能是接点表面附着物遇高温反应或者是继电器内机械零部件受热变化等都有关系。

振动冲击：一旦施加额定值以上的振动、冲击会引起继电器误动作，还会由于继电器内部部件变形、破损等导致动作不良。譬如安装继电器的机械室离轨道太近、附近有大型设备施工作业等异常振动、冲击环境下工作，对继电器的各项功能都有影响。

环境污染：正常使用的继电器失效原因是表面吸附含C的有机物与含O、P、S、Cl等的尘埃、杂质并与其相互化合作用产生的[8]。继电器使用在化肥厂、焦化厂、化工厂、煤气厂等污染源比较严重的地方对继电器各个零部件都会造成不同程度的污染，继电器触点表面附着了大量的S、P、Cl等元素，对接点接触电阻的影响不容忽视；继电器在周围存在灰尘的环境中使用，会有尘埃进入继电器内部，导致接点接触不良；继电器长时间在硅气体环境中长时间放置或使用继电器，接点表面会生成硅膜，导致接触不良；继电器如果在附着水、药品、溶剂、油的环境中使用、保管，将引起生锈、腐蚀、树脂裂化、接点接触不良以及漏电等故障。

周边磁场：如果继电器在存在较强外部磁场的场所使用，会引起误动作。还有在继电器正常吸起断开时，接点之间发生的电弧放电会被磁场压弯，发生短路、绝缘不良等现象。

综上所述，影响铁路信号继电器触点接触电阻的因素很多，各个因素之间又相互关联，相互影响。只要抓住影响接触电阻的主要因素，分析机理，采取措施，解决问题，就能有效控制继电器触点接触电阻增大或不通的现象发生。