电磁继电器导通失效模式与机理分析

范士海，谭士海

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

电磁继电器是一种自动控制机电元件，它的工作原理是：用电磁开关控制，通过机械动作使导体之间完成彼此接触或断开的转换，使接触导体具有通断电流的能力。由于电磁继电器是具有电磁和机械可动系统的机电一体化元件，加之生产过程中大部分装配调整是手工操作，影响其可靠性的因素较多，与其它电子元器件相比，批一致性和可靠性相对较低，属于可靠性较差的元器件[1,2]。有资料介绍[3]：上世纪70年代，日本发射的第一颗科学卫星，用了1 400个元器件，其中继电器占0.9 %，但其失效数占到了总元器件失效的1.4 %。所以电磁继电器属失效率很高的一类元器件。

在众多电磁继电器的失效模式中，导通失效占比较大，占到失效总数的40 %以上。导通失效包括接触电阻增大，接触电阻增大且不稳定，闭合触点瞬时断开或（长时间）断开等模式。另外，导通失效还包括断开触点异常导通的失效模式。

下面通过一些典型的导通失效案例详细介绍，分析引起各种导通失效模式的失效机理。为进一步提高电磁继电器使用可靠性提供有益的依据。

1 电磁继电器的导通失效模式与机理

1.1 接触电阻变大

闭合触点的接触电阻变大是电磁继电器一种常见的失效模式。对于一个合格电磁继电器，通常要求其接触电阻小于50 mΩ。发生失效后，其接触电阻可能变为几百毫欧，直至欧姆量级。

1.1.1 案例1

某型号电磁继电器在整机调试中出现一只失效，失效模式为触点接触电阻变大。该型号继电器有三组主转换触点：第一组1、2常开触点；第二组3、4常开触点；第三组5、6常开触点。对该失效继电器进行常温电性能测试，结果为第二组3、4触点之间接触电阻超差，阻值约为200 mΩ，而标称值为≤50 mΩ。

采用机械方法将继电器启封，在体视镜下进行观察，常开触点3、4表面存在明显的烧蚀熔融现象，该组触点周围部件发黑，如图1所示。常开触点1、2表面也存在烧蚀熔融现象，但烧蚀程度比3、4触点轻，如图2所示。另一组常开触点未发现明显异常；继电器衔铁、线包等内部结构未发现异常，继电器内部也未发现可导致继电器失效的多余物。

图1 常开触点3、4表面烧蚀熔融现象

图2 常开触点1、2表面烧蚀熔融现象

根据以上的观察，分析得出，该继电器失效是由于常开主触点3、4受到异常大电流的冲击作用，造成该组常开触点严重烧蚀，触点的表面状态发生了变化，造成该组主触点间接触电阻增大。

1.1.2 案例2

整机单位产品调试时发现1只某型号电磁继电器一组常开触点接触电阻偏大。常温下，按照厂家手册对该继电器进行常温电性能测试，结果为：产品吸合电压、释放电压、线圈电阻、绝缘电阻均合格，但发现一组常开触点接触电阻偏大（111.8 mΩ，标称值为≤50 mΩ），故障复现。具体测试结果见表1。

表1 继电器常温电性能测试结果

继电器外观及X射线检查未见明显异常，PIND及气密性检测合格。开封后检查继电器内部，线包、衔铁、轭铁、推动杆、簧片等内部结构未见明显异常。触点表面未见明显拉弧打火、烧蚀现象；但可见失效的一组常开动、静簧片间存在有机多余物堆积，常闭触点上端也有少量有机多余物，如图3所示。

图3 一组常开、常闭触点处存在有机物形貌

根据以上的观察，分析得出，该继电器常开触点接触电阻偏大是由于该组常开动、静簧片间存在有机多余物堆积所致。

1.2 接触电阻增大且不稳定

导通失效的另一种失效模式是接触电阻增大且不稳定。包括两种情况：一种情况是失效继电器导通电阻有时大于标称值，有时小于标称值，即在标称值上下波动；另一种情况是接触电阻始终大于标称值，但每次测试都不一致。

1.2.1 案例3

整机单位在进行试验时，发现1只某型号电磁继电器失效，现象为一路触点导通后导通电阻变大且不稳定。

根据委托方的介绍，失效继电器为图4中两个圈注处所指示的管脚间导通电阻变大。常温下，对继电器出现失效的两个管脚间的导通电阻进行多次测试，结果为：每次测量结果不同，导通电阻大部分测量值在23~45 mΩ范围内，偶尔会出现60~70 mΩ的情况（标称值为≤50 mΩ）。

图4 继电器外观形貌

继电器外观及X射线检查未见明显异常，PIND及气密性检测合格。开封后检查内部结构未见明显异常。发生失效的内部触点未发现存在明显的烧蚀、打火等异常现象。用扫描电子显微镜对继电器出现失效的触点表面进行形貌观察，除接触部位有磨损痕迹外，其它未见明显异常。

进一步对继电器失效触点表面进行能谱（EDX）分析，结果为：继电器静触点表面除Au、Ni等元素外，还有C、O元素，说明存在有机物沾污（如图5所示）。根据以上的检测与观察，分析得出：继电器失效是由于相关触点表面存在有机物沾污，使得触点接触电阻增大引起的。

图5 继电器静触点表面EDX图像

1.3 闭合触点瞬断或常断

继电器导通电阻失效的第三种失效模式为闭合触点完全断开。包括两种情况：瞬时断开或长时间断开；下面介绍的失效案例即属于此种情况。

1.3.1 案例4

整机单位使用时发现一只某型号电磁继电器存在瞬断现象。根据厂家手册，对失效电磁继电器进行常温电性能测试，结果为合格。

继电器外观及X射线检查未见明显异常，PIND及气密性检测合格。开封后观察两组常开触点、常闭触点，对应的动、静触点未见明显拉弧、烧蚀现象；动、静簧片未见明显松动现象；衔铁轴未见明显弯曲变形痕迹，对中未见明显异常；但可见失效电磁继电器衔铁间隙内、壳体内有白色透明及黄色（似松香类）有机类多余物（如图6所示）。

图6 继电器内部多余物形貌

进一步对继电器内部白色多余物、黄色多余物进行扫描电镜形貌观察及能谱成分分析，结果为：白色多余物成分主要含有C、O、S、Cl、Ca元素，黄色多余物成分主要含有C、O元素。

根据以上的检测结果，分析认为：该电磁继电器失效是由于内部存在非金属活动多余物导致其瞬时断路所致。

1.3.2 案例5

某型号电磁继电器在整机进行摇摆试验时，发现其中一组常闭触点断开。根据厂家手册，用万用表对管脚间进行通断测试。发现一组常闭触点为开路状态。继电器外观检查未见明显异常。采用粒子碰撞噪声检测仪（PIND），对失效电磁继电器进行卧向多余物检测，发现存在粒子噪声或其它异常现象，检测结果为不合格。对失效电磁继电器进行气密性检测（粗检和细检），检测结果为合格。对继电器进行X射线及CT检查，发现：继电器内部一组常闭触点存在未闭合、有间隙现象，另一组常闭触点正常闭合；同时常开触点未见明显异常（如图7所示）。

图7 失效继电器X射线检查图像

启封继电器，在体视镜下进行观察，发现失效常闭触点已表现为闭合状态，另一组常闭触点为正常闭合状态；两组常开触点为正常开路状态；分别对两组常开触点、常闭触点对应的动、静簧片观察，未见明显拉弧、烧蚀痕迹；但发现其中曾开路的一组常闭触点静簧片的一侧存在一个呈三角形状、灰黑色的有机类多余物，且静簧片接触表面有灰色有机类物质残留（如图8、9所示）。

图8 失效常闭触点静簧片一侧多余物

根据以上的检测结果，分析得出：该电磁继电器失效是由于一组常闭触点动、静簧片间及其附近存在非金属（有机类）多余物，形成绝缘层，使常闭触点无法正常导通所致。

图9 静簧片内表面有机类物残留形貌

1.4 断开触点异常导通

以上介绍的案例均为闭合触点接触电阻变大（包括开路）情况，下面介绍的案例属于另一类导通失效情况，即断开触点异常导通。与接触电阻变大情况相比，出现这种失效模式的概率较低。

1.4.1 案例6

某型号电磁继电器在整机做随机振动试验监测时，发生继电器常开触点闭合，继续进行随机振动常开触点功能恢复。

对该失效继电器进行常温电性能测试，结果为电性能参数均符合厂家手册要求。用粒子碰撞噪声检测系统对失效继电器进行粒子碰撞噪声检测，发现存在除背景噪声之外的噪声信号。用真空检漏设备对失效继电器进行密封（细检、粗检）检查，未发现明显异常。用微焦点X射线仪检查继电器内部结构，未见明显异常。

用机械方法启封继电器发现：在管壳内、线包、常开触点及常闭触点附近区域均存在可动的颗粒状松香多余物，如图10和图11所示。

图10 继电器管壳内部松香形貌

图11 常开触点及常闭触点区域松香形貌

鉴于继电器管壳内、线包、常开触点及常闭触点附近区域均存在大量可动的颗粒状松香多余物，由于继电器内部各部件之间的间隙很小，如果颗粒状多余物刚好处于某部位，使动簧片处于常开触点吸合状态，则导致其在进行随机振动试验监测时瞬态常开触点闭合，继续进行随机振动多余物位置发生变化，常开触点则恢复断开状态。

2 结束语

归纳起来，导致电磁继电器导通失效的机理包括两大方面：一是触点表面状态发生了化学或物理变化，如烧蚀氧化或接触面变为凹凸不平等；二是继电器内部存在多余物，如触点表面附着有机物，或者不导电的活动多余物夹在闭合触点之间，造成接触电阻增大或完全开路。由于继电器内部动作部件之间的间隙很小，尺寸极小的多余物即有可能引起继电器失效。而且多余物引起继电器失效具有偶发、复杂、难于复现的特点，需给予特别的关注。