關于繼電器觸點材料轉移和提升壽命的研究

鄭鎧

（廈門芯陽科技股份有限公司，福建 廈門 361022）

1 電弧產生的原因和及相應的材料轉移

電弧到底是什么?它是如何點燃的，又是什么導致了它的熄滅?電弧如何影響繼電器觸點的壽命?這些是我們將在這里討論的一些問題。首先定義幾個我們將使用的術語。收縮指的是接觸表面最初形成的微小面積，以及最后斷裂的地方。熔體電壓是指在收縮處存在的能產生足以使接觸材料在收縮處液化的電流的電壓。電弧電壓是存在于被一個小間隙隔開的觸點上的電壓，它會在間隙中引起放電，電弧電流是維持由電弧電壓放電引起的電弧所必需的電流?，F在從微觀上看一下接觸電弧的影響。觸點電弧的最終結果是縮短觸點壽命。根據電弧的嚴重程度和持續(xù)時間，每次電弧點火時，接觸腐蝕就會發(fā)生。這種侵蝕導致接觸材料的損失，這將導致兩種情況之一。條件#1 是在接點丟失了大量的材料，導致它們無法電性地關閉負載電路。第二種情況是一個觸點對另一個觸點失去了大量的物質，從而導致了“尖峰- 隕石坑”。

電弧的產生原因為在觸點斷開時隨著觸點開始分離，攜帶負載電流的接觸面積越來越小。負載電流開始進入這個狹窄的區(qū)域，接觸點開始產生熱量。隨著接觸點繼續(xù)分離，熔融金屬的薄橋在接觸點之間繼續(xù)拉伸。間隙中的空氣開始電離。電橋中的觸點材料接觸點部分產生大量的熱量，以至于電橋爆炸，金屬離子傾瀉在電橋間隙中。如果接觸電壓足夠高，電弧會點燃。根據查看相關的文獻材料了解到不同的觸點材料有不同的電弧額定電壓。對于純銀材料，產生電弧電壓最低為12V;對于鎘材料是10V。若觸點是純銀，在熔橋爆炸后的納秒內，如果電路負載兩端電壓大于等于12 伏，就會產生電弧。如果電路負載電壓小于12 伏，則不能產生電弧。

如果觸點的能量足夠，電弧的溫度可能達到5000 開爾文或更高的溫度并可能爆炸，在接觸點之間的間隙中留下過熱的、電離的空氣和金屬離子。根據接觸材料和空氣間隙上的電壓應力，即爆炸瞬間的接觸電壓，電離的氣隙可以開始從陰極到陽極傳導電子電流。接觸點之間的放電實際上是電弧的開始。如果負載電流超過觸點材料的額定電弧電流，電弧將有足夠的能量來維持電弧的持續(xù)，否則，觸點之間的放電不會引起引弧。如果電弧著火，沿電弧柱有一個溫度梯度，陰極是較熱端，也就是說，熱量會從陰極流向陽極，并且熱量最大的陰極點可能沸騰，從而釋放原子甚至分子的輻射，這些排放物被拉過弧柱，沉積在稍冷的陽極觸點上。所有這一切發(fā)生在大約10 納秒左右。當觸點強有力地移動到一起時，這種液態(tài)金屬可能會飛濺，導致物質的流失。

當電弧在觸點分離瞬間點燃時，只要有足夠的能量給它，它就會持續(xù)。只要電弧存在，物質轉移就會繼續(xù)。在直流電作用下，電弧只能通過拉伸到自身陰抗使其熄滅的長度。然而，在許多應用中，觸點間隙足夠大，電弧會在觸點完全打開之前熄滅。正是由于這個原因，一個給定的接觸額定值的繼電器的額定電壓值，比如說，交流電120 伏，但是其直流額定值則要低得多，通常是28 伏或30 伏的直流。也就是說，間隙足夠大，給定交流電過零周期擺動，任何交流電弧應該很快熄滅。但是這個間隙不足以讓110 伏的直流電弧熄滅。在交流應用中，根據電離空氣的溫度，即使電弧電流每半個周期減小到零，電弧可能在電流零后重新點燃。這是因為正離子仍然存在之間的接觸，它不需要太多的能量來重新點燃電弧。與純銀相比，銀- 鎘氧化物觸點在有電弧的情況下具有更高的壽命。有一種理論認為，由于氧化膜材料在充分加熱時會產生負離子，銀鎘氧化物產生的負離子會導致正離子在電流為零后的早期重組。這種復合會使電弧更早地熄滅，并防止電流過零后再點火。這表明，在可能出現電弧的交流應用中，采用適當的消弧方法保護銀鎘氧化物觸點應能產生良好的觸點壽命。

2 固定電場對繼電器觸點材料轉移的影響

經過實際的實驗發(fā)現即使在一些交流負載的應用場合中，尖峰和隕石坑的物質轉移也是明顯的。這是因為在這些應用中繼電器的操作與交流線路電壓同步。這種同步通常是控制繼電器的觸點吸合或斷開時都發(fā)生在交流電壓同一個方向的半波，就會由于固定電場的驅動下，使觸點材料逐漸進行材料轉移，進而一段時間后形成“尖峰- 隕石坑”。

關于本理論，做了相應的實驗驗證：將繼電器吸合過程與電源正弦波對應，所有繼電器觸點吸合的瞬間，繼電器觸點兩端都承受負電壓，且電壓方向始終相同。

當繼電器控制外部電路時，與外部電路正極連接的觸點為正極，另一觸點則為負極，正、負極之間形成電場。在電場的作用下，處于負極的觸點將逐漸失去金屬分子而形成凹陷口子，直至成為洞口，處于正極的觸點將逐漸得到金屬分子而形成微尖峰或鍋底形凸出。隨著密封繼電器動作次數的增加，勢必引起產品的失效。如圖1 所示為實際的測試效果，經過1 萬次的動作后觸點的材料出現明顯的突起轉移。

圖1

所以在一個交流應用控制程序中，若操作是隨機的或固定控制，正- 負- 正- 負半波輪流控制，在動作過程中觸點材料兩邊幾乎等量的交替轉移，最終的結果是任何一邊的接觸點都沒有明顯的物質收獲。但在直流應用或繼電器與交流線路同步的應用中，材料傳輸總是在同一個方向上，可能會出現尖頂和凹坑的情況。

鑒于以上的理論，進行如下實驗測試驗證：

2.1 驗證電弧對繼電器觸點的影響

測試條件：

輸入電壓：120VAC；負載類型：電熱管；負載功率：1700W（14A 的負載電流），在常溫下，繼電器1 秒通1 秒斷2S 周期為1 次動作的情況下，在進行到13078 次動作時出現繼電器觸點粘連在一起，拆開繼電器觀察觸點被燒蝕發(fā)黑嚴重，詳見如圖2所示。

圖2

結論：說明電弧產生的高溫會燒蝕繼電器的觸點，對觸點的使用壽命產生質的負面影響。

2.2 驗證在觸點兩端施加同一電場的情況下材料傳輸總是在同一個方向上，也可能發(fā)生材料轉移。

用可控硅對繼電器滅弧驅動電路圖（如圖3 所示）。

圖3 可控硅滅弧電路圖

2.2.1 驅動原理講解

2.2.1.1 為了保證繼電器壽命，所以增加可控硅回路并聯，對繼電器輸出端觸點進行保護。

2.2.1.2 保護的方式是繼電器“K1”的輸出引腳與雙向可控硅“T”的A1，A2 引腳并聯。共同驅動熨斗電熱盤負載。

2.2.2 具體保護方式講解

2.2.2.1 對于繼電器的損害，最嚴重的是繼電器觸點吸合和斷開的瞬間引起的電弧腐蝕。

2.2.2.2 當需要繼電器吸合的時候，主控芯片的“REL”、“TRI-CtL”引腳同時輸出高電平?？煽毓钑葘?，繼電器的觸點因為機械延時會滯后5～7ms 才會閉合。“TRI-CtL”引腳高電平輸出20ms，確保繼電器觸點已經吸合之后，關閉輸出低電平。繼電器吸合過程完成。

繼電器觸點吸合過程，因為可控硅先導通，所以觸點吸合瞬間幾乎沒有電壓，也就沒有較大的電弧產生。

2.2.2.3 當需要繼電器斷開的時候，主控芯片的“REL”輸出低電平，同時“TRI-CtL”引腳輸出高電平。繼電器觸點因為機械延時會滯后3～5ms 才會斷開?！癟RI-CtL”引腳高電平輸出20ms，確保繼電器觸點已經斷開之后，關閉輸出低電平。繼電器斷開過程完成。

繼電器釋放過程，觸點之間形成微小電弧，當觸點間電壓升高到1.5V 左右，可控硅導通，觸點間電弧消失。

實驗測試方案如下：

2.2.3 方案一：驗證在觸點兩端施加同一電場的情況下材料傳輸總是在同一個方向上，也可能發(fā)生材料轉移。

如圖4 所示，將繼電器吸合過程與電源正弦波對應，所有繼電器觸點吸合的瞬間，繼電器觸點兩端都承受負電壓，且電壓方向始終相同。

圖4 時序圖

由電子遷移理論分析：當用密封繼電器控制外部電路時，與外部電路正極連接的觸點為正極，另一觸點則為負極，正、負極之間形成電場。在電場的作用下，處于負極的觸點將逐漸失去金屬分子而形成凹陷口子，直至成為洞口，處于正極的觸點將逐漸得到金屬分子而形成微尖峰或鍋底形凸出。隨著密封繼電器動作次數的增加，勢必引起產品的失效。如圖5 為實際的測試效果，經過5 萬次的動作后觸點的材料出現明顯的轉移。

圖5 實際測試效果

結論：證明在沒有電弧引燃的電路中，在觸點兩端施加同一電場的情況下材料傳輸總是在同一個方向上，也可能發(fā)生材料轉移的這一理論。

2.2.4 方案二

2.2.4.1 如若調整繼電器和可控硅跟隨電源零點信號的時序，第一次繼電器吸合和斷開跟隨電源下降沿信號，第二次跟隨上升沿信號，時序圖如圖6。

圖6 時序圖

2.2.4.2 對單體繼電器經過50 萬次壽命測試后圖片（圖7）如下，效果改善明顯，沒有發(fā)現明顯的材料轉移現象，同時也沒有發(fā)現繼電器明顯的觸點燒蝕發(fā)黑的現象。

圖7

3 論證結論

綜合以上的理論和實際的實驗測試對比結果可以證明：

3.1 電弧的高溫會燒蝕繼電器的觸點，使觸點燒蝕發(fā)黑，嚴重影響繼電器的使用壽命。

3.2 在使用可控硅給繼電器觸點滅弧的情況下，沒有電弧引燃的電路中，在觸點兩端施加同一電場方向的情況下材料傳輸總是往一個方向轉移，不斷的累積造成觸點出現“尖峰- 隕石坑”，進而影響繼電器的使用壽命。

3.3 提升繼電器的方法

3.3.1 對繼電器進行滅弧處理。

3.3.2 繼電器的觸點負載電壓控制不能都在同一個電場方向，應該隨機或者輪流轉換方向，以消除材料定向轉移造成觸點出現材料堆積。