电磁继电器失效分析及可靠性寿命评估

王聪聪，韩晓敏，付宇宽，李志国，徐立立，杨静

（1.中车唐山机车车辆有限公司，唐山 064000； 2.广州广电计量检测股份有限公司，广州 510656）

引言

电磁继电器是一种电子控制元器件，它可以通过较小的电流、较低的电压去控制较大的电流、较高的电压。电磁继电器主要由输入回路和输出回路两部分组成。输入回路一般是控制端，输出回路是被控制端。当触发某种机制的信号输入到控制端时，会有电流通过电磁铁的线圈而产生磁场，从而对衔铁产生吸力，在衔铁的带动下使得被控制回路闭合，从而发出控制信号，以实现对某种系统的控制。

电磁继电器在轨道交通领域是信号控制的基础电子元器件，具有信号传递、系统配电、执行控制等功能，因此在铁路这种以信号控制为主的运输工具上被广泛应用。电磁继电器在高铁上应用较多，起的作用也比较繁杂，主要包括起到输出制动信号、过分相信号、火灾报警信号以及风机启动等等[1]。电磁继电器的关键部件是触点部件，触点可靠性直接影响到电磁继电器的可靠性。密封电磁继电器失效模式的统计数据显示，其80 %以上失效模式是接触部分失效[2]。一般情况下，触点两个接触面之间受多种因素影响，除了触点材料、触点结构影响外，还受触点电流、开路电压、温度的影响[3]。

截止2017年底，我国铁路营业里程达到12.7万km，其中高铁2.5万km。动车组列车的大规模运行，对列车的运行安全也提出了越来越高的要求。继电器接触电阻超差到一定程度，将会导致某些命令或信号传输不到位，这种故障将会影响到列车正常运行，甚至会引发严重的事故。因此，对应用于高速列车的继电器进行可靠性研究，评估继电器的预期寿命，为检测、维护提供依据[4]。

本文对列车上实际使用发生失效的继电器进行宏观及微观的分析，确定其失效模式及其失效的机理。同时按照《有可靠性指标的电磁继电器评估规范》[5]对继电器进行可靠性评估，可靠性试验过程中定期检测样品的各项电性能参数，评估各电性能参数的变化情况，确定继电器的可靠性等级，同时在各个参数的合理使用范围内，评估继电器的剩余使用寿命。

1 研究对象介绍与分析

本文研究对象为西门子3TH系列的中间继电器，采用E型铁心、双断点桥式触头系统的直动式运动结构，有八对触头可组合。触头材料由电性能优越的银合金制成，具有使用寿命长及良好的接触可靠性。灭弧室均呈封闭型，并由阻燃材料阻挡电弧向外喷射。

电磁继电器电性能参数见表1。

表1 继电器主要参数

继电器工作过程：线圈不得电的时候，继电器内部的动触点在弹簧的拉力作用下与静合静触点接触，与动合静触点断开；当某一时刻线圈通电时，继电器驱动回路导通，线圈产生电磁吸力，衔铁克服弹力被铁芯吸合，动触点随衔铁往下运动，使动触点与原来不接触的动合静触点闭合，完成吸合过程；当线圈掉电时，衔铁在弹簧的作用下，使其恢复常态。

2 继电器失效分析

动车车载继电器一旦发生故障，将会导致列车的某些控制信号不能发送或发送出错，给列车的运行带来极大的安全隐患。分析实际使用继电器的失效原因，动车的安全运行具有重要意义，本文对列车用3TH系列继电器进行失效分析，分析其失效的根本原因。

2.1 失效分析步骤

继电器的失效分析主要从宏观及微观两个大的方面开始。宏观方面，主要从产品的外观、结构、电性能参数等测试进行初始的评价；微观方面。主要是将新品和故障继电器进行解剖，进行电子显微镜以及SEM能谱分析，分析新品与故障品之间的区别[6]。最后，结合实际的工作环境、使用工况以及宏观和微观的检测结果进行综合的分析，确定故障继电器的失效机理，分析流程见图1。

图1 失效分析流程

2.2 失效样品宏观分析

本次选取3件实际使用的样品进行分析，分别对外观、内部结构、电性能进行检测，外观及内部结构无异常，继电器的吸合时间、释放时间、吸合电压及释放电压等电特性均在产品要求范围内，但有2件样品的接触电阻超标（＞0.5 Ω）。外观及内部结构见图2，电性能（不含接触电阻）测试见表2，接触电阻见表3。

表2 电性能参数（不含接触电阻）

表3 电性能参数（接触电阻）

图2 样品的外观及内部结构

2.3 失效样品微观分析

通过对三件样品进行外观、结构以及电性能测试，发现其中有2件样品的接触电阻不符合实际的使用要求，但吸合与释放时间、吸合与释放电压均在产品规格范围内，因此需要对接触电阻区域进行电镜检测，检测触点的形貌以及成分的变化情况。本文选择失效品3TH4262-05#样品接触电阻OPEN的通道、3TH4262-01#样品接触电阻220 Ω通道、3TH4244-01样品接触电阻为2 Ω通道，未失效样品3TH4244-22#样品接触电阻为0.3 Ω通道，四个通道的微观形貌见图3，成分分析见图4。

图3 分析样品通道微观相貌

图4 分析样品通道成分分析

通过上述观察，220 Ω接触点的接触区域不集中，处于分散的状态，这将导致动、静触片接触时，不会充分接触，导致接触电阻偏大；OPEN状态静触点表面没有清晰的接触区，有较明显的附着物附在接触区域，使动、静触点不能良好的接触，导致接触电阻呈现OPEN状态；常闭触点2 Ω触点表面附着物较稀疏，接触区色泽比较明亮，因此其接触电阻很小；未失效品常开通道电阻为0.3 Ω静触点接触区域面积较大，摩擦痕迹明显，虽然接触区域周围存在明显的附着物，但不影响接触。

对比通道接触电阻OPEN与通道电阻0.3 Ω二者的成分无很大差别，主要成分都是Ag，同时还有Pa、C、O、S、Cu等元素。触片除了有Ag、Pa、Cu等金属元素外，还存在C、O等非基体材料元素，说明基材材料有氧化和碳化的现象。继电器是一种经常吸合与断开的器件，触点在闭合或断开的瞬间，全部的能量集中释放在最后离开的那个微小区域，使其周围的温度迅速上升到金属的沸点，在这样的高温条件下，会发生氧化[7]。如果此时流经触点的电流超过触点材料的燃弧电流，触点间隙会形成拉弧，会将触点表面形成烧蚀[8]。继电器长时间经历这种动作，最终导致接触电阻增加，接触失效。

3 可靠性寿命评估

通过对实际使用继电器的失效分析，发现继电器主要是工作过程中，电弧导致的触点电弧侵蚀是引起电磁继电器接触性能变化的原因。电磁继电器是一种长寿命产品，不同类型的电磁继电器有其不同的使用寿命，本文中3TH系列继电器的电寿命为1.2×106次。高铁 动车等高速轨道交通自投入运营已经超过10年，每年都会投入大量的维修及更换设备的费用，为降低运维费用，同时不降低可靠性及安全性，需要对相关设备进行可靠性评估。

3.1 评估方案

依据《有可靠性指标的电磁继电器评估规范》[5]对继电器进行可靠性评估，可靠性试验过程中定期检测样品的各项电性能参数，评估各电性能参数的变化情况，确定继电器的可靠性等级，同时在各个参数的合理使用范围内，评估继电器的剩余使用寿命。

根据GB/T 15510《控制用电磁继电器可靠性试验通则》标准规定，同时根据继电器的规格书，继电器允许的每小时吸合断开次数为1000次，同时根据标准GBT 15510，级别为L、允许失效数Ac=1的总试验次数为20.2×106，同时为减少试验时间，进行测试的样品为22件，根据可靠性理论，则每个继电器的试验电寿命次数（吸合断开）次数为：

根据实际可操作性且每小时吸合与断开不超过1000次，实际采用吸合2 s、断开2 s，则1 h的吸合与断开次数为900次。

则试验时间为：Td=ns/900/24 h = 42.5天 （2）

将所有参试样品按照实际工作的时候通电、连接负载，保证线圈、触点均通137.5 V电压，接通负载保证通过触点的电流为实际工作时的所测最大电流240 mA，通电后开始可靠性试验，按照吸合2 s、断开2 s为完成一次吸合与断开试验。试验温度依据GB/T 15510，选择试验温度为30 ℃。试验过程中，定期检查外观、接触电阻、吸合与断开时间、吸合与释放电压，确定各个性能参数是否有变化趋势。

试验实施见图5 。

图5 可靠性试验实施图

3.2 试验过程中性能参数变化

试验过程中，继电器的吸合时间与释放时间、吸合电压与释放电压几乎无变化，接触电阻随着试验时间的增长，呈现逐渐上升的趋势。各个通道的吸合时间及释放时间、吸合电压及释放电压未有明显的变化趋势，而各个通道的接触电阻随时间有显著变化，详细见表4。

可靠性鉴定试验后，所有通道的吸合时间的最大值小于产品规范规定的常开与常闭的最小门限值42 ms；所有通道的释放时间的最大值小于产品规范规定的常开和常闭的最小门限值40 ms；所有通道的吸合电压和释放电压均小于产品规范规定。

可靠性鉴定试验后，继电器的常闭通道接触电阻是呈现逐渐增大趋势的，对所有试验继电器的接触电阻按照每个时间点取平均值，则每个检测时间点的均值如表4。试验后接触电阻小于0.5 Ω，仍在设备可用范围内。因此，需要对接触电阻退化到0.5 Ω进行拟合，确定实际的可用时间。

表4 接触电阻与时间关系

3.3 接触电阻退化评估

继电器的接触电阻是呈现增大的趋势，因此使用Matlab对试验数据进行拟合，接触电阻随时间变化的方程为公式（1），拟合曲线见图6；其中，拟合方程相关系数R2值为0.9846，接近于1，说明拟合程度非常好。

图6 继电器接触电阻退化趋势

根据实际使用的接触电阻要求，当接触电阻退化到0.5 Ω，即不满足使用要求。因此，以接触电阻退化到0.5 Ω为失效阈值求解方程（1），利用Matlab “fzero(＠(x)149.8*exp(0.0007273*x)+0.0000837*exp (0.02391*x)-500,0)” 求解方程（1）得出接触电阻退化到0.5 Ω的时间为625 h，按照可靠性评估方案，则试验至625 h时，继电器的动作次数为562500。

3.4 继电器预估寿命

本项目所选择继电器为京广线列车上使用的过分相类型继电器，此线路上过分相为25 km执行一次，线路里程为2300 km，则列车单程继电器要动作92次。按照列车一年运营365天，根据可靠性评估结果，继电器的预期寿命为：

4 结论

1）经过分析，失效接触器的失效原因为动触点与静触点接触不良。接触不良的前提是长期使用的接触器触点表面生成氧化物和硫化物，形成阻挡层，电接触可以烧穿一定厚度的阻挡层，阻挡层厚度增大到不能电烧穿时，触点还可以通过摩擦破坏阻挡层形成接触，但是触点摩擦力较小，在其偏差范围内存在摩擦力不足，仅保持接触而不足以破坏阻挡层，导致接触不良。

2）通过对继电器进行可靠性测试，根据继电器接触的退化趋势以及实际可使用的失效阈值，继电器预期寿命为16.75年。按照动车组运行480万公里或12年即更换的要求，继电器仍可继续使用4.75年，可以达到延寿的预期要求。