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(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)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(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)開關(guān)”。在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、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(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(diào)集中出現(xiàn)內(nèi)機(jī)控制器失效，售后故障現(xiàn)象為外機(jī)壓縮機(jī)不停機(jī)，或不啟動(dòng)故障。失效機(jī)型均為2 匹定頻掛機(jī)，機(jī)型名稱為綠滿園，失效機(jī)器均為2014 與2015 年生產(chǎn)。糧庫集中出現(xiàn)多臺(tái)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(dāng)測(cè)試?yán)^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(shí)就能測(cè)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(dǎo)致這種情形的原因是由于繼電器在負(fù)載電路中有異常的大電流通過，而繼電器的推動(dòng)卡使用時(shí)間長(zhǎng)了之后無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(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(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。此繼電器在電路中主要作用是控制器壓縮機(jī)啟動(dòng)，負(fù)載壓縮機(jī)功率較大。

2.2 應(yīng)用電路分析

由于繼電器是感性負(fù)載，當(dāng)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(gè)短路通道以保護(hù)相鄰的電路。由于在感應(yīng)脈沖出現(xiàn)時(shí)觸頭會(huì)快速閉合而受到強(qiáng)烈沖擊（當(dāng)線圈中產(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(dǎo)電片的重?fù)簦?，所以它也保護(hù)了繼電器的機(jī)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(diǎn)瞬間導(dǎo)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(hù)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?jiǎng)幼鲿r(shí)繼電器線圈兩端均為12V，需要?jiǎng)幼鲿r(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(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(diǎn)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(dòng)電路圖

多次測(cè)試壓縮機(jī)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(yàn)1 萬次合格，證明電路設(shè)計(jì)電流余量充足，不會(huì)導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)因過電流燒壞。通過以上分析驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)與繼電器選型均無異常。

圖2 整機(jī)運(yùn)行電流波形圖

3   繼電器失效原因及失效機(jī)理分析

3.1 故障效信息分析

統(tǒng)計(jì)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(gè)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?yàn)? 單觸點(diǎn)常閉，1 單觸點(diǎn)不動(dòng)作。用戶機(jī)器均已使用4 年以上，因機(jī)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(duì)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(diǎn)，見下圖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(cè)面可以明顯看到有銅綠產(chǎn)生，觸點(diǎn)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(diǎn)，見圖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(jié)果?？照{(diào)反復(fù)運(yùn)行停止，殺蟲劑多次腐蝕，長(zhǎng)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(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(duì)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(shí)生成劇毒磷化氫氣體，磷化氫對(duì)銅有強(qiáng)烈的腐蝕性，導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)燒壞，觸點(diǎn)粘連，以及內(nèi)部燒壞，出現(xiàn)無法關(guān)機(jī)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(jìn)入水汽，以及殺蟲劑等腐蝕物質(zhì)，空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)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(jìn)入繼電器內(nèi)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(jī)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(chǎng)合( 如有可燃性氣體) 的繼電器，平常的繼電器有負(fù)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(zāi)。防爆繼電器就能應(yīng)用此種場(chǎng)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(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(cè)較為嚴(yán)格，各部件之間都用UV 膠( 光硬化樹脂)，不可有間隙。檢測(cè)密封性主要使用為真空測(cè)試機(jī)、真空測(cè)試罩。將待測(cè)品端腳朝上放入乙醇中，放入真空機(jī)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，觀察待測(cè)品，如有氣泡產(chǎn)生，則表示密封不良，真空測(cè)試良品用風(fēng)扇吹干表面酒精。測(cè)試時(shí)真空測(cè)試容器負(fù)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(cè)試負(fù)壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，記時(shí)器自動(dòng)開始記時(shí)，即測(cè)試開始。整個(gè)測(cè)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(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(dǎo)致絕緣電阻減小，長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)觸點(diǎn)燒壞。通過產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中的問題反饋信息，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(duì)單體物料進(jìn)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(shí)際應(yīng)運(yùn)中的可靠性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）