電磁繼電器觸點腐蝕失效的分析研究

0   引言

電磁繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電力保護、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點吸合。電磁繼電器密封性不良，容易使空氣中的水汽進入，影響繼電器多個部件，常見故障有絕緣不良、觸點腐蝕。

1   背景

售后反饋糧庫安裝空調(diào)集中出現(xiàn)內(nèi)機控制器失效，售后故障現(xiàn)象為外機壓縮機不停機，或不啟動故障。失效機型均為2 匹定頻掛機，機型名稱為綠滿園，失效機器均為2014 與2015 年生產(chǎn)。糧庫集中出現(xiàn)多臺故障，經(jīng)分析均為控制器主板繼電器失效，分析繼電器為觸點燒融粘連。當(dāng)測試繼電器發(fā)現(xiàn)繼電器釋放功能失效或者沒有給線圈電壓加額定電壓時就能測到閉點電阻，那么就能判斷繼電器觸點已發(fā)生粘黏。導(dǎo)致這種情形的原因是由于繼電器在負載電路中有異常的大電流通過，而繼電器的推動卡使用時間長了之后無法拉斷大電流的電弧造成接點粘黏。

2   繼電器工作原理及應(yīng)用電路分析

2.1 繼電器工作原理

此控制器電路使用的是電磁繼電器，當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。此繼電器在電路中主要作用是控制器壓縮機啟動，負載壓縮機功率較大。

2.2 應(yīng)用電路分析

由于繼電器是感性負載，當(dāng)流經(jīng)一個電感的電流被突然關(guān)斷時，突然消失的磁場將會在電感線圈上產(chǎn)生一個高電壓脈沖，這個電壓脈沖或瞬態(tài)的幅值可能會有幾百伏甚至更高。電路中的二極管稱為續(xù)流二極管，并接在繼電器的線圈兩端，可以給高壓脈沖提供一個短路通道以保護相鄰的電路。由于在感應(yīng)脈沖出現(xiàn)時觸頭會快速閉合而受到強烈沖擊（當(dāng)線圈中產(chǎn)生尖峰脈沖時，接觸點就會遭到可移動的金屬導(dǎo)電片的重擊），所以它也保護了繼電器的機械觸頭。在繼電器通電期間二極管是不起作用的。電路中阻容模塊起滅弧作用，當(dāng)繼電器觸點瞬間導(dǎo)通時產(chǎn)生的浪涌電壓阻容模塊可以吸收釋放，可以有效保護繼電器的觸點不被燒壞，增加繼電器的壽命。

繼電器控制電路采用的是低電平動作的方法如圖1所示，在不需要動作時繼電器線圈兩端均為12V，需要動作時ULN2003 輸出低電平，繼電器動作；三極管控制繼電器電路原理相似，當(dāng)三極管飽和繼電器上電，截止繼電器不導(dǎo)通；售后常見故障點為繼電器燒毀、不導(dǎo)通、破損，少部分ULN2003燒毀，其他器件較少失效。

圖1 繼電器驅(qū)動電路圖

多次測試壓縮機接通瞬間沖擊電流，最大約10A，見圖2，低于繼電器標(biāo)稱值20A，繼電器壽命試驗1 萬次合格，證明電路設(shè)計電流余量充足，不會導(dǎo)致繼電器觸點因過電流燒壞。通過以上分析驗證電路設(shè)計與繼電器選型均無異常。

圖2 整機運行電流波形圖

3   繼電器失效原因及失效機理分析

3.1 故障效信息分析

統(tǒng)計6 單主板失效故障數(shù)據(jù)，見表1，失效繼電器廠家不集中，3 個繼電器廠家各失效2 單，且器件失效批次不集中。繼電器失效故障原因為5 單觸點常閉，1 單觸點不動作。用戶機器均已使用4 年以上，因機型相同故失效使用主板編碼相同。

用戶均為糧庫，樓層整體高度7 m，空調(diào)安裝糧庫墻壁6 m 處，裝空調(diào)主要作用為制冷，以降低糧庫內(nèi)的溫度。經(jīng)調(diào)查糧庫每年要對糧食外表面噴灑1 ～ 2次殺蟲劑，為了殺蟲劑能起到絕佳效果，打完殺蟲劑后糧庫均是封閉的，空氣不流通。

3.2 繼電器失效分析

部分繼電器銅插片外觀明顯可以看到已經(jīng)腐蝕，見下圖3所示，銅插片外表面在放大鏡下觀察已腐蝕生成銅綠。

圖3 銅插片腐蝕

解剖6單繼電器，側(cè)面觀察觸點，見下圖4 所示，5單觸點粘連在一起，1單觸點燒壞，4單觸點側(cè)面可以明顯看到有銅綠產(chǎn)生，觸點側(cè)面燒融痕跡明顯。

圖4 繼電器解剖側(cè)面

正面觀察放大鏡觸點，見圖5 所示，觸點中心表面已完全碳化燒融，是不斷形成的損傷累積的結(jié)果?？照{(diào)反復(fù)運行停止，殺蟲劑多次腐蝕，長時間使用觸點逐漸被腐蝕碳化燒融。

圖5 繼電器觸點燒融

3.3 繼電器使用電路以及結(jié)構(gòu)分析

磷化鋁的作用原理：吸收空氣中的水分后，發(fā)生雙水解反應(yīng)，生成氫氧化鋁Al(OH)₃和磷化氫氣體PH₃（有劇毒），化學(xué)反應(yīng)方程式為：AlP+3H₂O=Al (OH)₃PH₃( 氣態(tài))，每克磷化鋁片劑能產(chǎn)生大約1 克磷化氫氣體，當(dāng)空氣中含0.01 mg/L 磷化氫就對害蟲有致死作用。

糧庫使用殺蟲劑內(nèi)部含有DOP、環(huán)己酮、乙酸等化學(xué)物質(zhì)，糧庫殺蟲劑磷化鋁遇水和酸時生成劇毒磷化氫氣體，磷化氫對銅有強烈的腐蝕性，導(dǎo)致繼電器觸點燒壞，觸點粘連，以及內(nèi)部燒壞，出現(xiàn)無法關(guān)機情況。

4   繼電器失效解決方案

此單故障主板使用為非防爆繼電器，密封不良，糧庫環(huán)境潮濕惡劣，導(dǎo)致繼電器內(nèi)部進入水汽，以及殺蟲劑等腐蝕物質(zhì)，空調(diào)長時間運行導(dǎo)致繼電器觸點出現(xiàn)腐蝕打火燒毀。非防爆繼電器密封性較差，防爆繼電器密封性能優(yōu)良，能有效阻止腐蝕物質(zhì)通過氣態(tài)進入繼電器內(nèi)部，造成繼電器觸點腐蝕燒壞失效。密封式（防爆）電磁繼電器工作不受環(huán)境條件影響，將繼電器的觸點或整個繼電器的機構(gòu)全部封在金屬密封的殼體中。

防爆繼電器可用于特殊場合( 如有可燃性氣體) 的繼電器，平常的繼電器有負載時通斷繼電器觸點拉火，有可燃性氣體，如煤礦，觸點拉火能引起火災(zāi)。防爆繼電器就能應(yīng)用此種場合，避免火災(zāi)發(fā)生。由于防爆繼電器良好的密封性能，被廣泛使用在開關(guān)動作頻繁，防爆耐潮，耐腐蝕等特殊場所。防爆繼電器密封性檢測較為嚴格，各部件之間都用UV 膠( 光硬化樹脂)，不可有間隙。檢測密封性主要使用為真空測試機、真空測試罩。將待測品端腳朝上放入乙醇中，放入真空機機進行測試，觀察待測品，如有氣泡產(chǎn)生，則表示密封不良，真空測試良品用風(fēng)扇吹干表面酒精。測試時真空測試容器負壓控制閥上的設(shè)置需依據(jù)具體的生產(chǎn)產(chǎn)品要求設(shè)定，工位控制閥一般為-48 kPa ～ -53 kPa，真空泵閥：-50 kPa ～ -55 kPa，當(dāng)測試負壓達到規(guī)定值時，記時器自動開始記時，即測試開始。整個測試過程要看視容器中的產(chǎn)品否有氣泡冒出。如沒有氣泡產(chǎn)生，則表示產(chǎn)品的密封性能OK，反之為NG。

5   失效整改總結(jié)及意義

電磁繼電器密封不良，當(dāng)水汽和外界氣氛進入繼電器時污物遇水離解，使觸點腐蝕并引起金屬飛濺或含碳物沉積在絕緣零件表面，導(dǎo)致絕緣電阻減小，長時間工作出現(xiàn)觸點燒壞。通過產(chǎn)品實際應(yīng)用過程中的問題反饋信息，本文從涉及繼電器觸點粘連的多方面因素進行分析，對單體物料進行優(yōu)化，解決了器件在應(yīng)用環(huán)境中工作可靠性問題，顯著提高實際應(yīng)運中的可靠性。

參考文獻：

[1] 劉建,恩云飛,等.電磁繼電器密封絕緣壽命評價方法研究[J].失效分析與預(yù)防,2006(3):43-45.

[2] 李凌,徐偉.密封式電磁繼電器加速壽命試驗最優(yōu)方案設(shè)計與分析[J].低壓電器,2010(4):13-16.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）