电磁继电器触点腐蚀失效的分析研究

0   引言

电磁继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。电磁继电器密封性不良，容易使空气中的水汽进入，影响继电器多个部件，常见故障有绝缘不良、触点腐蚀。

1   背景

售后反馈粮库安装空调集中出现内机控制器失效，售后故障现象为外机压缩机不停机，或不启动故障。失效机型均为2 匹定频挂机，机型名称为绿满园，失效机器均为2014 与2015 年生产。粮库集中出现多台故障，经分析均为控制器主板继电器失效，分析继电器为触点烧融粘连。当测试继电器发现继电器释放功能失效或者没有给线圈电压加额定电压时就能测到闭点电阻，那么就能判断继电器触点已发生粘黏。导致这种情形的原因是由于继电器在负载电路中有异常的大电流通过，而继电器的推动卡使用时间长了之后无法拉断大电流的电弧造成接点粘黏。

2   继电器工作原理及应用电路分析

2.1 继电器工作原理

此控制器电路使用的是电磁继电器，当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。此继电器在电路中主要作用是控制器压缩机启动，负载压缩机功率较大。

2.2 应用电路分析

由于继电器是感性负载，当流经一个电感的电流被突然关断时，突然消失的磁场将会在电感线圈上产生一个高电压脉冲，这个电压脉冲或瞬态的幅值可能会有几百伏甚至更高。电路中的二极管称为续流二极管，并接在继电器的线圈两端，可以给高压脉冲提供一个短路通道以保护相邻的电路。由于在感应脉冲出现时触头会快速闭合而受到强烈冲击（当线圈中产生尖峰脉冲时，接触点就会遭到可移动的金属导电片的重击），所以它也保护了继电器的机械触头。在继电器通电期间二极管是不起作用的。电路中阻容模块起灭弧作用，当继电器触点瞬间导通时产生的浪涌电压阻容模块可以吸收释放，可以有效保护继电器的触点不被烧坏，增加继电器的寿命。

继电器控制电路采用的是低电平动作的方法如图1所示，在不需要动作时继电器线圈两端均为12V，需要动作时ULN2003 输出低电平，继电器动作；三极管控制继电器电路原理相似，当三极管饱和继电器上电，截止继电器不导通；售后常见故障点为继电器烧毁、不导通、破损，少部分ULN2003烧毁，其他器件较少失效。

图1 继电器驱动电路图

多次测试压缩机接通瞬间冲击电流，最大约10A，见图2，低于继电器标称值20A，继电器寿命试验1 万次合格，证明电路设计电流余量充足，不会导致继电器触点因过电流烧坏。通过以上分析验证电路设计与继电器选型均无异常。

图2 整机运行电流波形图

3   继电器失效原因及失效机理分析

3.1 故障效信息分析

统计6 单主板失效故障数据，见表1，失效继电器厂家不集中，3 个继电器厂家各失效2 单，且器件失效批次不集中。继电器失效故障原因为5 单触点常闭，1 单触点不动作。用户机器均已使用4 年以上，因机型相同故失效使用主板编码相同。

用户均为粮库，楼层整体高度7 m，空调安装粮库墙壁6 m 处，装空调主要作用为制冷，以降低粮库内的温度。经调查粮库每年要对粮食外表面喷洒1 ～ 2次杀虫剂，为了杀虫剂能起到绝佳效果，打完杀虫剂后粮库均是封闭的，空气不流通。

3.2 继电器失效分析

部分继电器铜插片外观明显可以看到已经腐蚀，见下图3所示，铜插片外表面在放大镜下观察已腐蚀生成铜绿。

图3 铜插片腐蚀

解剖6单继电器，侧面观察触点，见下图4 所示，5单触点粘连在一起，1单触点烧坏，4单触点侧面可以明显看到有铜绿产生，触点侧面烧融痕迹明显。

图4 继电器解剖侧面

正面观察放大镜触点，见图5 所示，触点中心表面已完全碳化烧融，是不断形成的损伤累积的结果。空调反复运行停止，杀虫剂多次腐蚀，长时间使用触点逐渐被腐蚀碳化烧融。

图5 继电器触点烧融

3.3 继电器使用电路以及结构分析

磷化铝的作用原理：吸收空气中的水分后，发生双水解反应，生成氢氧化铝Al(OH)₃和磷化氢气体PH₃（有剧毒），化学反应方程式为：AlP+3H₂O=Al (OH)₃PH₃( 气态)，每克磷化铝片剂能产生大约1 克磷化氢气体，当空气中含0.01 mg/L 磷化氢就对害虫有致死作用。

粮库使用杀虫剂内部含有DOP、环己酮、乙酸等化学物质，粮库杀虫剂磷化铝遇水和酸时生成剧毒磷化氢气体，磷化氢对铜有强烈的腐蚀性，导致继电器触点烧坏，触点粘连，以及内部烧坏，出现无法关机情况。

4   继电器失效解决方案

此单故障主板使用为非防爆继电器，密封不良，粮库环境潮湿恶劣，导致继电器内部进入水汽，以及杀虫剂等腐蚀物质，空调长时间运行导致继电器触点出现腐蚀打火烧毁。非防爆继电器密封性较差，防爆继电器密封性能优良，能有效阻止腐蚀物质通过气态进入继电器内部，造成继电器触点腐蚀烧坏失效。密封式（防爆）电磁继电器工作不受环境条件影响，将继电器的触点或整个继电器的机构全部封在金属密封的壳体中。

防爆继电器可用于特殊场合( 如有可燃性气体) 的继电器，平常的继电器有负载时通断继电器触点拉火，有可燃性气体，如煤矿，触点拉火能引起火灾。防爆继电器就能应用此种场合，避免火灾发生。由于防爆继电器良好的密封性能，被广泛使用在开关动作频繁，防爆耐潮，耐腐蚀等特殊场所。防爆继电器密封性检测较为严格，各部件之间都用UV 胶( 光硬化树脂)，不可有间隙。检测密封性主要使用为真空测试机、真空测试罩。将待测品端脚朝上放入乙醇中，放入真空机机进行测试，观察待测品，如有气泡产生，则表示密封不良，真空测试良品用风扇吹干表面酒精。测试时真空测试容器负压控制阀上的设置需依据具体的生产产品要求设定，工位控制阀一般为-48 kPa ～ -53 kPa，真空泵阀：-50 kPa ～ -55 kPa，当测试负压达到规定值时，记时器自动开始记时，即测试开始。整个测试过程要看视容器中的产品否有气泡冒出。如没有气泡产生，则表示产品的密封性能OK，反之为NG。

5   失效整改总结及意义

电磁继电器密封不良，当水汽和外界气氛进入继电器时污物遇水离解，使触点腐蚀并引起金属飞溅或含碳物沉积在绝缘零件表面，导致绝缘电阻减小，长时间工作出现触点烧坏。通过产品实际应用过程中的问题反馈信息，本文从涉及继电器触点粘连的多方面因素进行分析，对单体物料进行优化，解决了器件在应用环境中工作可靠性问题，显著提高实际应运中的可靠性。

参考文献：

[1] 刘建,恩云飞,等.电磁继电器密封绝缘寿命评价方法研究[J].失效分析与预防,2006(3):43-45.

[2] 李凌,徐伟.密封式电磁继电器加速寿命试验最优方案设计与分析[J].低压电器,2010(4):13-16.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年12月期）