电磁继电器触点接触电阻分析

2021-12-17杨光伦

电子制作 2021年22期

杨光伦

（贵州振华群英电器有限公司，贵州贵阳，550018）

电磁继电器是工业控制电气系统中的重要装置，但是由于其工作环境的影响，在运行一段时间后容易因为污染、磨损、电磁干扰等因素，出现许多故障。触点接触电阻异常增加就是常见的故障形式之一。通过分析导致接触电阻增加的原因，进而采取行之有效的解决措施，使电磁继电器得以稳定运行，成为现阶段电力维护人员必须要掌握的技能。

1 电磁继电器触点接触电阻的产生机理

参照电接触理论，电磁继电器的接触电阻主要取决于两个指标，即收缩电阻和表面膜电阻，两者之和即为触点的接触电阻。

■1.1 收缩电阻

在电磁继电器通电运行时，由于电流路径收缩，产生了收缩电阻（RE），其计算公式如下：

式（1）中，ρ为触点的电阻率，a为触点的微观尖峰半径，Sij为微观面的间距。根据式（1）可知，收缩电阻主要与电阻率、微观层面上接触面的数量、尺寸等有关系。单位面积内，接触面数目越多，相当于触点接触面积越大，因此其电阻也会减小。

■1.2 表面膜电阻

影响表面膜电阻（RF）的因素较多，可归纳为：（1）表面光洁程度。当触点表面膜受到灰尘、油垢的污染，或者是表面磨损导致凹凸不平的情况下，其电阻会有明显的上升。前者是因为污染导致触点与工作面接触不良，相当于断路，电阻趋近于无限大；而后者则是减小了触点与工作面的接触面积。而电阻值与接触面积为反比，接触面减小的情况下，引起了电阻值的增加。（2）无机化学膜。电磁继电器使用一定年限后，触点表面因为氧化、硫化等原因，形成了一层氧化膜、硫化膜，导致触点的导电率下降，电阻增加。（3）有机化学膜。在油液泄露或蒸发的情况下，部分油蒸汽附着在触点表面，形成一层有机膜，也会影响正常的导电，使得电阻值上升。因此，要想保持触点接触电阻的稳定，加强表面管理，保持触点表面工况良好是一种可行的办法。

2 影响触点接触电阻的因素分析

■2.1 触点形状及材料

不同类型的电磁继电器，其触点用材也有很大的不同，目前比较常见触点材料有2种，一种是纯银，其特点是导电率高、接触电阻比较稳定，但是不耐磨损，并且大量使用也会导致成本攀升。另一种是银合金，包括银镍合金，银与氧化镉的合金等，这类材料无论是在使用性能，还是成本价格等方面，均有一定的优势。通常来说，银合金能够满足多数情况下电磁继电器的使用要求，并且在耐磨性、抗电弧侵蚀性等方面性能比较出众，可作为优先考虑的触点用材。另外，触点形状也会影响接触面积，以及继电器触点断弧能力，也是必须要考虑的因素之一。例如，圆形球面触点的光滑性强，不容易出现尖端拉弧的现象，因此继电器运行可靠性更高。对于负载能力要求较高的继电器，也可选择方形的触点，通过增大接触面积来降低接触电阻。

■2.2 触点表面条件

触电表面的清洁度、光滑度等因素，是影响触点接触电阻的关键因素。随着电磁继电器使用年限的增加，空气中漂浮的灰尘，会被零件表面的油液粘附，形成一层油垢。受到污染的触点，将会出现不导通、接触不良的情况，阻值明显增加。因此，电磁继电器通常会安装过滤装置，防止静电、油液吸尘，保证触点表面维持较为清洁的状态。另外，触点表面的光滑度，也会因为影响触点接触面积，进而直接影响接触电阻。正常情况下，电阻与接触面积成反比关系，即接触面积越大，则电阻越小。在触点表面不光滑的情况下，只有凸起的极少部分接触工作面，由此导致接触电阻增加。除了上述两项主要因素外，触点硬度也会对接触电阻有一定影响。

■2.3 触点压力

触点静合压力对接触电阻也有一定的影响。总体上来说，随着触点压力的增加，接触电阻会有较为明显的下降，两者关系曲线如图1所示。

图1 触点压力与接触电阻的关系曲线

结合图1可以发现，触点压力为20mN时，接触电阻达到了50mΩ，而触点压力增加到30mN时，接触电阻迅速降低至15mΩ。其中，触点压力30mN为临界点，超过该值后，随着触点压力的持续增加，接触电阻的变化趋于缓和。除此之外，触点直径也是影响压力接触电阻变化曲线的一个重要因素。以图1为例，φ2.2mm的触点，在触点压力超过30mN后，接触电阻基本不再变化；而φ3.0mm的触点，在触点压力超过30mN后，仍然保持下降趋势，但是比之前有所缓和。

3 电磁继电器触点接触电阻的优化策略

■3.1 触点表面处理技术

3.1.1 表面研磨

要想达到理想的研磨效果，首先要根据触点表面材质选择与之对应的研磨材料。本文使用KC-1多刃多形态切削研磨材料，根据研磨状态的不同，可分为垂直研磨和水平研磨2个步骤。有些电磁继电器的触点部分，由于生产工艺比较粗糙，表面存在毛刺。通过垂直研磨能够有效去除毛刺，使表面更加光滑，改善导通效果。需要注意的是，研磨材料的用量要根据产品质量来确定，产品质量为2kg时，KC-1研磨材料用量为250g；产品质量为5kg时，研磨材料用量380g。完成垂直研磨后，技术人员检查触点外观，经检查确定表面光滑无问题后，再进行水平研磨。经过两次研磨处理后，要求触点表面要形成致密的微观尖峰，峰顶和峰谷的高度差控制在5~10μm之间。在触点获得理想工作面的情况下，其收缩电阻和表面膜电阻都会有不同程度的降低，进而使得触点电阻降低，满足正常使用的要求。

3.1.2 表面防护

研磨工序完毕后，还要进行表面冲洗，将触点表面残留的粉末、灰尘等清理干净，然后进入表面防护工序。选择理想的保护剂对提高触点表面保护效果有直接影响，试验表明银是一种导电性极好的理想材料。但是使用纯银材料制作触点，一方面是容易氧化、硫化，另一方面是耐磨损性差，一段时间后就会出现导电效果明显下降、接触电阻异常升高的问题。因此，通常选择在银触点表面镀金的方式，达到保护触点的效果。由于金的电阻率仅次于银和铜，加上金的化学性质稳定，不容易出现氧化、硫化问题，提高了触点表面防护效果，延长了设备使用寿命。为了验证保护效果，选择硫化氢溶液，使用毛刷蘸取后，分别涂刷到镀金保护层和未进行任何处理的触点上，静置6h后观察效果，发现未处理的触点有明显的硫化变色现象，而覆盖了保护层的触点没有任何变化。

■3.2 内部零件清洗技术

3.2.1 超声波清洗的优势

电磁继电器由于长时间出于比较恶劣的环境下运行，容易受到油液、灰尘的污染，在表面形成粘性积垢，导致触点接触电阻增加。因此，需要定期进行内部零件的清洗，而常规清洗不仅难以将油泥、积垢彻底清除，而且残留的清洗剂还有可能引发二次腐蚀。超声波清洗是以高频超声波作为介质，对粘附在零件表面的污染物，进行分散、乳化、剥离，清洗效率更高，而且无副作用。另外，超声波还能够穿透零件，深入到内部，尤其是对于零件凹陷、拐角等隐蔽位置，也能够达到理想的清洗效果。目前，基于超声波原理的自动清洗设备已经广泛使用，为电磁继电器内部零件的除油、除垢提供了便利。

3.2.2 关键参数的优化

超声波清洗触点虽然优势显著，但是要想达到理想的效果，还要特别关注一些重要参数。其一是超声波的频率，频率与超声空化效果直接相关，频率越高，强度越大，清洗效果越好。需要注意的是，低频超声波通常用于处理大颗粒污物，而对于微小的杂质则选择高频超声波处理。试验表明，污染程度类似的电磁继电器触点，在超声频率为40kHz时，清洗时间设定为8min，直径超过10μm的颗粒能够控制在20个以内；而频率达到80kHz时，颗粒数可以降低到10个以内。除此之外，超声波清洗时间也是影响污物去除效果的关键因素。一般来说，清洗时间越长，则污物去除越彻底，但是实际中还要考虑成本，清洗时间与清洗效果如表1所示。