關于交流接觸器加速壽命試驗的研究

張 竟 杜吉祥 鄒 迅

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

1 引言

接觸器是一種自動化的控制電器,廣泛應用于自動控制電路。在空調系統中,交流接觸器是不可或缺的重要部件。在這里我們主要研究的是,在保證其性能的前提下,如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗的時間。

2 事件背景

交流接觸器在售后出現的主要異常為觸頭熔焊,而觸頭熔焊又是開關電器失效的主要形式之一,觸頭閉合過程中,由于閉合時的預擊穿電弧或觸頭彈跳過程中形成的電弧,使動、靜觸頭接觸面金屬熔融而形成熔焊。當觸頭的分斷力大于觸頭的熔焊力時,所造成的熔焊可以恢復,稱為可恢復的熔焊;反之,稱為不可恢復的熔焊[1]。

3 交流接觸器失效模式的分析

交流接觸器的失效點主要表現為過熱磨損和打火燒熔。產生觸點熔焊的原因是在觸點閉合時,由于撞擊和振動,觸點之間不斷產生短電弧,其溫度高達上千攝氏度,時間稍長就會把觸點燒傷或熔化,并使動、靜觸點粘黏,導致電路失控。導致觸點燒熔的原因有以下幾點：

①線路中有異常大電流,造成原因可能是由于用戶家的電壓不穩定,使交流接觸器長期處于吸合的臨界點,不斷拉弧灼燒觸點,兩觸頭的金屬原子相互擴散,并形成金屬鍵,冷卻時在接觸面之間形成共同的晶粒,使觸頭熔合在一起[2]。

②交流接觸器觸頭材料的影響,我司使用的觸頭材料基本為銀鎳合金,而Ni的熔化和結晶是關鍵因素。

③廠家加工工藝一致性存在波動,使得觸頭銀鍍層偏薄或分布不均勻,在使用過程中,影響觸頭的抗熔焊性下降,觸頭飛濺損耗大,最終導致觸頭失效。

而交流接觸器接觸器觸頭失效基本都是出現在售后,且周期較長,在我司廠內只有進行模擬實驗(電氣壽命實驗)才能檢測出,但是目前電氣壽命的時間較長,不具備及時性,需要進行加速壽命試驗的研究。

4 研究改進的方向

目前電氣壽命試驗周期較長,對于質量管控的及時性和有效性還需要進一步改善。我們擬定兩個實驗思路：一是保證其它條件不變,減小通電線圈的實驗電壓;二是不改變其它條件,只縮短動靜觸點的接通與斷開的時間。總之,就是通過改變單一變量,加劇試驗環境,從而縮短試驗時間。不管是哪種實驗思路,我們都需要有一個標準作為評判,保證最后試驗所得的結果是我們所想得要的。目前交流接觸器觸頭大多為銅基覆銀合金觸頭,其中最主要的元素就是銀。

5 進行的實驗：實驗內容、數據的分析

5.1 實驗條件

①將交流接觸器按正常工作位置安裝,單極主電路通標稱單相電源220V,主電路通6倍額定電流In,按額定控制電源進行通斷操作,通電時間0.5 s,斷電時間5s,一通一斷為一周期,在這個實驗中,我們將斷開時間由9s縮短至5s,理論上將實驗總時間264h減少為152h,但由于觸頭斷開時間由9s縮短為5s,對觸點的考驗必然會加大,電弧作用在觸頭表面上引起的溫升、相變(熔化、蒸發等)也更加嚴重,實驗總時間將會進一步縮短。

②同步安排兩組實驗,A 組實驗按照我司之前的實驗條件(通0.5s,斷開9s),B 組實驗按照上敘條件進行(通0.5s,斷開5s),通過對比兩組實驗前后觸頭的物理變化及化學成分的變化,從而來確定壽命加速試驗的大致時間(想要確定具體的縮短時間,還需要大量的實驗來做參照)。

5.2 實驗內容

實驗前,通過放大鏡觀察,A、B 兩組樣件的動靜觸頭表面光澤度基本一致,對比兩組的觸點的銀鍍層厚度,均在標準范圍內(根據繼電開關額定電流的大小,動靜觸點的銀鍍層厚度也不盡相同)。

表1 試驗前兩組觸點的鍍層厚度與材料對比

實驗后,靜觸點的鍍層材料向動觸點轉移并裸露銅基底,這是因為當觸頭開始斷開時,接觸電阻變大,觸頭表面溫度升高,使接觸表面熔化而形成金屬液橋。隨著動靜觸點間距增大,間隙中的觸頭金屬蒸汽被游離而出現金屬相電弧放電,帶電微粒主要是電子、金屬離子和金屬原子,金屬離子和電子在電場力作用下分別向動觸點和靜觸點運動,金屬離子沉積在動觸點表面,形成尖峰,電子轟擊靜觸點,使已加熱的動觸點表面進一步加熱,所以材料從靜觸點向動觸點轉移,兩組樣品的動觸點有明顯的材料堆積。試驗后,A 組樣品電氣壽命為102100次,B 組樣品電氣壽命為45023次,從兩組動靜觸點材料成分測試情況來看,動靜觸點中的銀元素含量減少,鎳元素含量增大。在銀鎳合金中,鎳含量越高,抗熔焊性越好,但表面的接觸電阻就越大,長期試驗后,溫升持續升高導致觸點粘黏。兩組樣品試驗后金像和材質對比相差不大,可以說明兩組實驗具有一定的可比性。

表2 試驗后兩組觸點的材料對比

5.3 實驗結論

從上述實驗的結果來看,對于研究如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗的時間是有一定的幫助和啟發的,只要積累大量的試驗素材,完全可以制定標準,縮短試驗時間,加速整改進度,提升產品質量。

6 結論

(1)根據售后及實驗得到的數據,交流接觸器突出故障為觸點燒融以及線圈開/短路。

(2)通過兩組實驗樣品,對比了試驗前后觸點的物理及化學變化,研究如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗的時間,減少了時間成本。

(3)提升交流接觸器的使用壽命,可以從控制觸點接觸電阻及溫升、觸點材料成分、及吸合、釋放動作電壓幾個方面來入手。