小型大功率塑封继电器性能和触点分析

2021-06-18李亚南朱亚哲李耀林

电工材料 2021年3期

章杰，李亚南，刘晗，朱亚哲，李耀林

（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

引言

小型大功率塑封继电器广泛应用于家电产品和工业领域，如空调、汽车、加热器等，它具有体积小，切换功率大，分断电流能力强等特点。市场上常见的30 A小型大功率继电器型号为T90，使用环境和使用条件对这类继电器电寿命和可靠性影响较大[1]。常见功率继电器封装形式主要分为塑封型和防尘罩型，继电器在实际使用时会遇到各种条件，其中防尘罩型继电器在含有H2S、SO2、NO2、粉尘等环境下使用时，触点易硫化，生成不导电的硫化膜，并最终导致继电器故障和寿命缩短[2]。本研究以塑封型继电器为研究样本，研究分析了市场常见的不同厂家生产的5款30 A塑封型功率继电器。

1 小型大功率塑封继电器分析

1.1 工作原理和接线图

本研究采用的功率继电器属于单稳态继电器，其工作原理见图1(a)，由电磁铁、反力弹簧、衔铁、触点等部件组成，当线圈两端施加额定电压时，铁芯被磁化，并对衔铁产生电磁吸力，触点在该吸力的作用下接通电路；当施加在线圈两端的电压撤消时，触点在反力弹簧的作用下分断电路。实物接线图见图1(b)，在图1(b)中，2和6为线圈控制端，3和5为触点常开端。

图1 单稳态继电器工作原理和接线图

1.2 机械参数、电气参数和触点对比

实际测量了继电器的触点材料的主要成分、触点直径、接触电阻、吸合和释放时间等机械参数和电气参数，列于表1。触点材料作为核心部件，不同继电器厂家的触点材料成分和尺寸有一定差异，说明各厂家对触点材料的选用存在较大的分歧。继电器的吸合时间、释放时间、吸合电压、释放电压、线圈功率、吸合压力、分断力、触点开距、超行程等参数比较接近，说明不同继电器厂家在设计继电器时所选用的参数和方法几乎相同。

1.3 触点形貌和金相

触点的状态受成分、加在触点两端的电压和电流、负载种类、通断频率、环境条件、接触形式、触点的通断速度等影响，继电器在实际工作时会遇到各种条件，触点在使用过程中可能会出现材料转移、粘连、熔焊、接触电阻増大等故障。5款继电器的触点的主要成分和直径见表1，触点材料主要以AgSnO2、AgSnO2In2O3、AgCdO 为主，AgCdO 具有良好的导电性、灭弧能力和抗熔焊性而得到广泛应用，缺点是在直流负载下抗材料转移能力较差且不环保。AgSnO2具有良好的抗电弧侵蚀能力、抗材料转移能力以及环保而得到广泛应用，缺点是接触电阻较大。AgNi触点材料抗熔焊能力相对AgSnO2和AgCdO稍差，因此，在这种大功率应用场合未见有成熟应用。5款继电器触点材料的形貌和金相组织见表2。从表2可见，材料的金相组织都比较均匀，动触点形状都是球面，静触点是平面或者弧度较大。

表1 5款继电器机械和电气参数对比

表2 触点形貌和金相分析

1.4 电寿命比较

电寿命是小型大功率塑封继电器最重要的性能指标，它代表继电器能有效工作的次数，5款继电器标称的电寿命（动作）次数和温升都相同，具体见图2(a)和2(b)。继电器在额定AC 240 V、30 A条件下标称电寿命次数均为10万次。

图2 标称电寿命和温升

本研究使用自主研发的全自动交流继电器试验机进行这5款继电器的电寿命试验，每款继电器试验数量为6只，试验时不开点气孔，试验前后均试水，确认继电器不漏气，失效判断依据为连续2次瞬粘连或者累计6次粘连，具体试验条件见表3，电寿命结果见表4。

表3 试验条件

表4 电寿命试验结果

各厂家继电器电寿命柱状图见图3，电寿命由高到低排序为：D厂家（触点：AgSnO2）＞B厂家（触点：AgSnO2In2O3）＞E厂家（触点：AgCdO）＞C厂家（触点：AgCdO）＞A厂家（触点：AgSnO2），由此可知，不同厂家的继电器电寿命相差大，A厂家继电器和D厂家继电器所选取的触头材料主成分相同，机械参数和电气参数也接近，但是寿命却相差巨大，笔者认为与触头材料制备工艺不同或者电器设计水平差异有关。

图3 各厂家继电器电寿命柱状图

1.5 试验后触点分析

试验后触点表面出现了不同程度的烧蚀，具体烧蚀形貌和金相见表5。由表5可知，无论是AgS-nO2触点还是AgCdO触点，试验后表面均形成了白色聚集区域，笔者对白色区域进行了能谱分析，能谱分析见图4。能谱分析表明，表面白色区域Ag含量偏高，几乎不含SnO2或CdO，因此，动、静触点表面出现了Ag聚集层，该聚集层是导致继电器失效的主要原因。Ag聚集层出现的原因有待进一步研究。