繼電器觸點表面含磷物質(zhì)來源分析及改進建議

黃義隆林道譚孫 哲

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510670；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370)

電力系統(tǒng)由各種類型的電子物料組成，電子物料的固有可靠性和使用可靠性共同決定了電力系統(tǒng)的整體可靠性[1]。繼電器作為一種自動電氣開關(guān)[2-3]，被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵物料之一。近年來，繼電器的可靠性問題已成為人們的關(guān)注熱點，據(jù)統(tǒng)計，繼電器的故障主要表現(xiàn)為觸點失效，其失效占比高達90%[4]，觸點接觸電阻增大為觸點失效的主要失效模式。繼電器觸點由靜觸點和動觸點組成，觸點的質(zhì)量優(yōu)劣直接會影響接觸電阻的可靠性[5]，而觸點接觸電阻作為繼電器的關(guān)鍵參數(shù)，如圖1 所示，接觸電阻增大的主要原因有觸點磨損[6]、行程不足[7]、多余物[8]等幾個方面[3]。

觸點材料一般選擇為導(dǎo)電性較好的金屬材料，正常情況下，繼電器的觸點之間能保持良好的金屬接觸。在實際的應(yīng)用過程中，繼電器觸點表面會吸附一些可動的多余物，而這些多余物的導(dǎo)電性一般比較差，這類物質(zhì)若正好處于觸點接觸有效區(qū)域，會引起繼電器接觸電阻的不穩(wěn)定增大。近年來，多余物引起繼電器觸點接觸電阻增大的故障時有發(fā)生[9-10]，但是針對含磷物質(zhì)導(dǎo)致繼電器失效的機理研究則比較少。趙正元[11]研究發(fā)現(xiàn)繼電器觸點表面存在大量的磷元素，但未對含磷物質(zhì)的來源進行分析。伍景希等人[12]提到塑料結(jié)構(gòu)件中的含磷物質(zhì)在長時間放置后可能會析出，未對相關(guān)結(jié)果進行驗證。

本文基于一起繼電器接觸電阻增大的故障事件，通過形貌分析、成分分析、結(jié)構(gòu)分析等各種試驗技術(shù)與手段，對失效樣品進行失效機理分析工作，確定導(dǎo)致繼電器失效的失效機理，研究觸點表面含磷異物對繼電器接觸電阻的影響。基于繼電器的失效機理開展影響因素分析，獲取繼電器失效的敏感應(yīng)力，并開展故障復(fù)現(xiàn)試驗，明確有機材料內(nèi)部含磷物質(zhì)在高溫高濕環(huán)境中對繼電器的影響規(guī)律，為繼電器的制造、使用提供了借鑒意義。

1 實驗

某型號繼電器用于控制另外一組繼電器線圈的通斷，觸點導(dǎo)通電流小于10 mA。裝機使用大約3個月后觸點存在異常增大的現(xiàn)象。

(1)參數(shù)測試及形貌分析:選取1 只失效繼電器、2 只全新繼電器進行分析，編號分別為F1＃、G1＃和G2＃，通過電參數(shù)測試確認繼電器的性能狀態(tài)。機械法開封去除繼電器外殼，結(jié)合體視顯微鏡對觸點進行觀察。

(2)成分分析:通過S-4300 場發(fā)射掃描電子顯微鏡對繼電器觸點表面進行形貌分析和成分分析；通過Nicolet 顯微紅外分析儀、TOF.SIMS 5-100 飛行時間二次離子質(zhì)譜儀測試觸點表面異物的組成，繼而對繼電器的失效機理進行分析。

(3)故障復(fù)現(xiàn):選取全新繼電器進行高溫高濕貯存試驗，試驗溫度為85 ℃，濕度為85 %RH，時長為兩周(336 h)，試驗后測試繼電器的電參數(shù)，并結(jié)合場發(fā)射掃描電子顯微鏡對觸點進行形貌分析和成分分析。

(4)機理驗證:通過S-4300 場發(fā)射掃描電子顯微鏡對繼電器內(nèi)部所有部件進行能譜分析。另外本實驗設(shè)計了三組樣品，樣品放置方式如圖2 所示，觸點1?！?＃單獨放置進行168 h 的85 ℃/85 %RH 高溫高濕貯存試驗，觸點4＃～6＃與線圈支架組合放置后進行168 h 的85 ℃/85 %RH 潮熱貯存試驗，觸點7＃～9＃與線圈支架組合放置后進行168 h 的40 ℃/85 %RH 高溫高濕貯存試驗，試驗后采用能譜儀對觸點表面進行成分分析。

圖2 銀觸點放置方式

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)測試及形貌分析

對失效繼電器F1＃、全新繼電器G1＃和G2＃進行分析，外觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常。結(jié)合低阻儀對樣品進行測試，測試結(jié)果顯示失效繼電器F1＃觸點接觸電阻明顯增大，達到了歐姆級別甚至兆歐姆級別，而正常繼電器觸點接觸電阻都為2 mΩ～8 mΩ。

如圖3(a)所示失效繼電器觸點的接觸狀態(tài)，檢查發(fā)現(xiàn)繼電器靜觸點和動觸點接觸正常。對比圖3(b)所示的失效繼電器觸點和圖4 所示正常繼電器觸點，失效繼電器觸點明顯變色。

圖3 失效繼電器F1＃觸點的光學形貌

圖4 全新繼電器G1＃觸點的光學形貌

2.2 成分分析

圖5(b)所示SEM 形貌顯示觸點表面存在異物，圖5(c)所示能譜分析結(jié)果顯示異物所在區(qū)域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。

圖5 觸點的SEM 形貌和能譜分析結(jié)果

對失效繼電器觸點表面進行飛行時間二次離子質(zhì)譜分析(TOF-SIMS)，圖6 所示結(jié)果顯示在TOF-SIMS負譜質(zhì)荷比為30.97、62.97、78.97、94.97、96.99、126.95 和158.95 等位置均發(fā)現(xiàn)含磷物質(zhì)的譜峰，顯示失效繼電器觸點表面的含磷物質(zhì)應(yīng)為磷酸根一類物質(zhì)，此外，在TOF-SIMS 正譜質(zhì)荷比為18.04 位置存在譜峰，對應(yīng)銨根所在位置。

圖6 失效繼電器觸點表面異物的正、負二次離子質(zhì)譜圖

圖7 所示紅外光譜分析結(jié)果顯示失效繼電器觸點表面異物的紅外光譜吸收峰峰位與磷酸二氫銨的吸收峰接近，推斷異物內(nèi)部含有磷酸銨鹽一類物質(zhì)?；谀茏V分析、TOF-SIMS 分析和紅外光譜分析的分析結(jié)果，判斷失效繼電器觸點表面異物應(yīng)該含有磷酸銨鹽一類物質(zhì)。

圖7 失效繼電器觸點表面異物紅外光譜分析結(jié)果

對失效繼電器觸點進行清洗，再次進行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觸點絕緣電阻可以恢復(fù)正常。因此判斷繼電器由于觸點表面異物的存在引起其接觸電阻增大失效，這一類異物主要成分應(yīng)該為磷酸銨鹽一類物質(zhì)。

2.3 故障復(fù)現(xiàn)

經(jīng)過兩周(336 h)的貯存試驗后測試發(fā)現(xiàn)，繼電器的觸點接觸電阻存在增大的現(xiàn)象，如圖8 所示。通過開封觀察發(fā)現(xiàn)繼電器觸點明顯變色，如圖9 所示，電鏡形貌顯示觸點表面存在異物，能譜分析結(jié)果顯示異物所在區(qū)域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。繼電器經(jīng)過高溫高濕貯存試驗后的失效特征與市場失效繼電器F1?；疽恢拢^電器觸點表面含磷物質(zhì)應(yīng)該是其內(nèi)部組件在高溫高濕條件下釋放引入。

圖8 試驗后繼電器觸點的光學形貌

圖9 試驗后繼電器觸點的SEM 形貌和能譜分析結(jié)果

對繼電器內(nèi)部所有部件進行能譜分析，圖10(a)所示結(jié)果顯示繼電器線圈支架內(nèi)部含有磷，而其他部件未發(fā)現(xiàn)明顯異常。線圈支架采用注塑成型，其原材料中就存在含磷物質(zhì)，通過摻入含磷物質(zhì)提高支架的阻燃性能，而觸點表面含磷物質(zhì)可能來源于線圈支架，需要通過開展銀觸點貯存試驗來進行進一步的驗證。

圖10 線圈支架和銀觸點的能譜分析結(jié)果

2.4 機理驗證

如圖10(b)所示，試驗前觸點表面未發(fā)現(xiàn)含磷物質(zhì)的存在，168 h 高溫高濕貯存試驗后觸點1?！?＃的成分分析結(jié)果顯示:與線圈支架一起開展試驗的觸點表面會形成含磷物質(zhì)(見圖11)，尤其是高溫高濕(85℃/85 %RH)條件下的樣品，觸點表面明顯變色(見圖11)，磷的含量明顯較高(見圖12)。由此可以得到:在高溫高濕條件下，線圈支架內(nèi)部的含磷物質(zhì)會析出并沉積在觸點表面；在相同的濕度下，隨著溫度的升高，線圈支架內(nèi)部含磷物質(zhì)的釋放程度會加強。

圖11 銀觸點1?！?＃潮熱貯存試驗168 h 后的光學形貌

圖12 試驗后觸點表面磷含量測試結(jié)果

3 機理分析與改進建議

3.1 機理分析

繼電器線圈支架所使用材料的主體成分為尼龍材料，磷系阻燃劑則為尼龍材料的常用無鹵阻燃劑[13]，而部分類型的磷系阻燃劑如聚磷酸銨(APP)[14]，其吸濕能力較強[15]、熱穩(wěn)定性較差[16]。APP 的結(jié)構(gòu)可以寫成圖13 所示形式，分子結(jié)構(gòu)中n稱為平均聚合度。

圖13 聚磷酸銨分子結(jié)構(gòu)圖

一方面，APP 具有一定的吸濕性和水解作用[17]，吸濕性會隨著APP 聚合度增大而下降。伴隨著APP 的吸濕作用，有機材料中添加的APP 會溶于水中并發(fā)生水解反應(yīng)，造成有機材料中APP 的水解析出。另一方面，APP 在高溫環(huán)境中會存在熱氧老化的情況[18]，老化過程中P—O—P 鍵會發(fā)生斷裂、P ＝O 鍵會增加，APP 的平均聚合度會逐漸下降，熱氧老化過程中APP 會逐步轉(zhuǎn)化為磷酸二氫銨。

本文研究結(jié)果顯示，繼電器觸點表面異物的紅外光譜吸收峰峰位與磷酸二氫銨的吸收峰接近，說明觸點表面存在磷酸銨鹽一類物質(zhì)。這類物質(zhì)形成的原因是尼龍材料中的磷系阻燃劑在高溫高濕環(huán)境中通過水解和熱氧老化從有機材料內(nèi)部析出導(dǎo)致。

如圖14 所示，從微觀上看，由于繼電器觸點表面總是起伏不平的，兩個觸點接觸時一般都是通過多個斑點進行接觸，如圖15 和圖16 所示的電接觸，電流通過該接觸面的斑點面時，會存在一定的收縮阻礙，該部分電阻被稱為收縮電阻。同時觸點表面由于各種原因會形成表面膜，進一步增加了觸點接觸電阻，這部分電阻則成為表面膜電阻。如公式(1)所示，觸點接觸電阻Rc為導(dǎo)體電阻Rm、收縮電阻Re和表面膜電阻Rf的總和[2]。

圖14 繼電器觸點表面的SEM 形貌

圖15 電接觸狀態(tài)下的微觀示意圖

圖16 電流通過觸點斑點面的示意圖

表面膜電阻是由于觸點表面通過物理吸附、化學腐蝕等方式而形成一層導(dǎo)電性較差的物質(zhì)引起的[20]，本文所示案例的分析結(jié)果顯示繼電器觸點表面存在含磷物質(zhì)，而這類含磷物質(zhì)的導(dǎo)電性能比金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能差[19]，導(dǎo)致觸點的表面膜電阻Rf的增大，繼而引起觸點接觸電阻增大失效。

3.2 改進建議

繼電器觸點接觸電阻是關(guān)鍵參數(shù)，觸點表面異物的存在會引起其接觸電阻不穩(wěn)定增大，會導(dǎo)致整機的故障。有機材料在繼電器內(nèi)部廣泛應(yīng)用，比如線圈表面的膠帶、漆包線的漆膜、線圈支架、繼電器外殼。為了提高繼電器的安全性，要求繼電器所使用的材料具有阻燃性能，目前行業(yè)內(nèi)存在部分廠家使用含磷物質(zhì)作為阻燃劑添加在有機材料內(nèi)部，提高其阻燃性能。

試驗結(jié)果顯示，有機材料中的含磷物質(zhì)在高溫高濕條件下會析出，并沉積在觸點表面，造成繼電器觸點接觸電阻增大失效。因此，對于繼電器的制造和使用有以下幾點建議:

第一，繼電器使用的有機材料慎用含磷物質(zhì)作阻燃劑；

第二，在繼電器選型過程中，可以開展高溫高濕試驗，評價繼電器的性能穩(wěn)定性；

第三，使用過程中注意控制繼電器使用環(huán)境的溫度和濕度，有條件的情況下可以選用密封繼電器；

第四，在整機定期檢查過程中要關(guān)注繼電器觸點接觸電阻，更換接觸電阻超標的繼電器。

4 結(jié)論

本文基于一起繼電器接觸電阻增大的故障事件，開展失效分析，對繼電器接觸電阻增大的失效機理進行研究，并通過故障復(fù)現(xiàn)試驗分析導(dǎo)致繼電器失效的根本原因，以制定相應(yīng)的改進措施。實驗結(jié)果表明:(1)繼電器觸點表面的含磷物質(zhì)會引起觸點接觸電阻增大失效；(2)有機材料中的含磷物質(zhì)在高溫高濕環(huán)境中會析出，并在繼電器觸點表面沉積；(3)在相同的濕度下，隨著溫度的升高有機材料中含磷物質(zhì)的釋放程度會加強。

觸點接觸電阻作為繼電器的關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)的穩(wěn)定性直接影響到整機的可靠性。多余物是造成繼電器接觸電阻增大的重要因素之一，而繼電器內(nèi)部有機材料的異物析出是多余物的主要來源，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)注意材料的選型設(shè)計，并結(jié)合環(huán)境試驗加以驗證，以提高繼電器的可靠性。