電磁繼電器觸點(diǎn)腐蝕失效的分析研究

0   引言

電磁繼電器具有動(dòng)作快、工作穩定、使用壽命長(cháng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應用于電力保護、自動(dòng)化、運動(dòng)、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，它具有控制系統和被控制系統，通常應用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。在電路中起著(zhù)自動(dòng)調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì )流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會(huì )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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合。電磁繼電器密封性不良，容易使空氣中的水汽進(jìn)入，影響繼電器多個(gè)部件，常見(jiàn)故障有絕緣不良、觸點(diǎn)腐蝕。

1   背景

售后反饋糧庫安裝空調集中出現內機控制器失效，售后故障現象為外機壓縮機不停機，或不啟動(dòng)故障。失效機型均為2 匹定頻掛機，機型名稱(chēng)為綠滿(mǎn)園，失效機器均為2014 與2015 年生產(chǎn)。糧庫集中出現多臺故障，經(jīng)分析均為控制器主板繼電器失效，分析繼電器為觸點(diǎn)燒融粘連。當測試繼電器發(fā)現繼電器釋放功能失效或者沒(méi)有給線(xiàn)圈電壓加額定電壓時(shí)就能測到閉點(diǎn)電阻，那么就能判斷繼電器觸點(diǎn)已發(fā)生粘黏。導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(guò)，而繼電器的推動(dòng)卡使用時(shí)間長(cháng)了之后無(wú)法拉斷大電流的電弧造成接點(diǎn)粘黏。

2   繼電器工作原理及應用電路分析

2.1 繼電器工作原理

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

2.2 應用電路分析

由于繼電器是感性負載，當流經(jīng)一個(gè)電感的電流被突然關(guān)斷時(shí)，突然消失的磁場(chǎng)將會(huì )在電感線(xiàn)圈上產(chǎn)生一個(gè)高電壓脈沖，這個(gè)電壓脈沖或瞬態(tài)的幅值可能會(huì )有幾百伏甚至更高。電路中的二極管稱(chēng)為續流二極管，并接在繼電器的線(xiàn)圈兩端，可以給高壓脈沖提供一個(gè)短路通道以保護相鄰的電路。由于在感應脈沖出現時(shí)觸頭會(huì )快速閉合而受到強烈沖擊（當線(xiàn)圈中產(chǎn)生尖峰脈沖時(shí)，接觸點(diǎn)就會(huì )遭到可移動(dòng)的金屬導電片的重擊），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，當繼電器觸點(diǎn)瞬間導通時(shí)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(diǎn)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(dòng)作的方法如圖1所示，在不需要動(dòng)作時(shí)繼電器線(xiàn)圈兩端均為12V，需要動(dòng)作時(shí)ULN2003 輸出低電平，繼電器動(dòng)作；三極管控制繼電器電路原理相似，當三極管飽和繼電器上電，截止繼電器不導通；售后常見(jiàn)故障點(diǎn)為繼電器燒毀、不導通、破損，少部分ULN2003燒毀，其他器件較少失效。

圖1 繼電器驅動(dòng)電路圖

多次測試壓縮機接通瞬間沖擊電流，最大約10A，見(jiàn)圖2，低于繼電器標稱(chēng)值20A，繼電器壽命試驗1 萬(wàn)次合格，證明電路設計電流余量充足，不會(huì )導致繼電器觸點(diǎn)因過(guò)電流燒壞。通過(guò)以上分析驗證電路設計與繼電器選型均無(wú)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

統計6 單主板失效故障數據，見(jiàn)表1，失效繼電器廠(chǎng)家不集中，3 個(gè)繼電器廠(chǎng)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(diǎn)常閉，1 單觸點(diǎn)不動(dòng)作。用戶(hù)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(hù)均為糧庫，樓層整體高度7 m，空調安裝糧庫墻壁6 m 處，裝空調主要作用為制冷，以降低糧庫內的溫度。經(jīng)調查糧庫每年要對糧食外表面噴灑1 ～ 2次殺蟲(chóng)劑，為了殺蟲(chóng)劑能起到絕佳效果，打完殺蟲(chóng)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(guān)明顯可以看到已經(jīng)腐蝕，見(jiàn)下圖3所示，銅插片外表面在放大鏡下觀(guān)察已腐蝕生成銅綠。

圖3 銅插片腐蝕

解剖6單繼電器，側面觀(guān)察觸點(diǎn)，見(jiàn)下圖4 所示，5單觸點(diǎn)粘連在一起，1單觸點(diǎn)燒壞，4單觸點(diǎn)側面可以明顯看到有銅綠產(chǎn)生，觸點(diǎn)側面燒融痕跡明顯。

圖4 繼電器解剖側面

正面觀(guān)察放大鏡觸點(diǎn)，見(jiàn)圖5 所示，觸點(diǎn)中心表面已完全碳化燒融，是不斷形成的損傷累積的結果?？照{反復運行停止，殺蟲(chóng)劑多次腐蝕，長(cháng)時(shí)間使用觸點(diǎn)逐漸被腐蝕碳化燒融。

圖5 繼電器觸點(diǎn)燒融

3.3 繼電器使用電路以及結構分析

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，生成氫氧化鋁Al(OH)₃和磷化氫氣體PH₃（有劇毒），化學(xué)反應方程式為：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，當空氣中含0.01 mg/L 磷化氫就對害蟲(chóng)有致死作用。

糧庫使用殺蟲(chóng)劑內部含有DOP、環(huán)己酮、乙酸等化學(xué)物質(zhì)，糧庫殺蟲(chóng)劑磷化鋁遇水和酸時(shí)生成劇毒磷化氫氣體，磷化氫對銅有強烈的腐蝕性，導致繼電器觸點(diǎn)燒壞，觸點(diǎn)粘連，以及內部燒壞，出現無(wú)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，導致繼電器內部進(jìn)入水汽，以及殺蟲(chóng)劑等腐蝕物質(zhì)，空調長(cháng)時(shí)間運行導致繼電器觸點(diǎn)出現腐蝕打火燒毀。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(guò)氣態(tài)進(jìn)入繼電器內部，造成繼電器觸點(diǎn)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(diǎn)或整個(gè)繼電器的機構全部封在金屬密封的殼體中。

防爆繼電器可用于特殊場(chǎng)合( 如有可燃性氣體) 的繼電器，平常的繼電器有負載時(shí)通斷繼電器觸點(diǎn)拉火，有可燃性氣體，如煤礦，觸點(diǎn)拉火能引起火災。防爆繼電器就能應用此種場(chǎng)合，避免火災發(fā)生。由于防爆繼電器良好的密封性能，被廣泛使用在開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，防爆耐潮，耐腐蝕等特殊場(chǎng)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(shù)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(jìn)行測試，觀(guān)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(shí)真空測試容器負壓控制閥上的設置需依據具體的生產(chǎn)產(chǎn)品要求設定，工位控制閥一般為-48 kPa ～ -53 kPa，真空泵閥：-50 kPa ～ -55 kPa，當測試負壓達到規定值時(shí)，記時(shí)器自動(dòng)開(kāi)始記時(shí)，即測試開(kāi)始。整個(gè)測試過(guò)程要看視容器中的產(chǎn)品否有氣泡冒出。如沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，則表示產(chǎn)品的密封性能OK，反之為NG。

5   失效整改總結及意義

電磁繼電器密封不良，當水汽和外界氣氛進(jìn)入繼電器時(shí)污物遇水離解，使觸點(diǎn)腐蝕并引起金屬飛濺或含碳物沉積在絕緣零件表面，導致絕緣電阻減小，長(cháng)時(shí)間工作出現觸點(diǎn)燒壞。通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息，本文從涉及繼電器觸點(diǎn)粘連的多方面因素進(jìn)行分析，對單體物料進(jìn)行優(yōu)化，解決了器件在應用環(huán)境中工作可靠性問(wèn)題，顯著(zhù)提高實(shí)際應運中的可靠性。

參考文獻：

[1] 劉建,恩云飛,等.電磁繼電器密封絕緣壽命評價(jià)方法研究[J].失效分析與預防,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)方案設計與分析[J].低壓電器,2010(4):13-16.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）