小型大功率塑封繼電器性能和觸點分析

章 杰，李亞南，劉 晗，朱亞哲，李耀林

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

小型大功率塑封繼電器廣泛應用于家電產品和工業領域，如空調、汽車、加熱器等，它具有體積小，切換功率大，分斷電流能力強等特點。市場上常見的30 A小型大功率繼電器型號為T90，使用環境和使用條件對這類繼電器電壽命和可靠性影響較大[1]。常見功率繼電器封裝形式主要分為塑封型和防塵罩型，繼電器在實際使用時會遇到各種條件，其中防塵罩型繼電器在含有H2S、SO2、NO2、粉塵等環境下使用時，觸點易硫化，生成不導電的硫化膜，并最終導致繼電器故障和壽命縮短[2]。本研究以塑封型繼電器為研究樣本，研究分析了市場常見的不同廠家生產的5款30 A塑封型功率繼電器。

1 小型大功率塑封繼電器分析

1.1 工作原理和接線圖

本研究采用的功率繼電器屬于單穩態繼電器，其工作原理見圖1(a)，由電磁鐵、反力彈簧、銜鐵、觸點等部件組成，當線圈兩端施加額定電壓時，鐵芯被磁化，并對銜鐵產生電磁吸力，觸點在該吸力的作用下接通電路；當施加在線圈兩端的電壓撤消時，觸點在反力彈簧的作用下分斷電路。實物接線圖見圖1(b)，在圖1(b)中，2和6為線圈控制端，3和5為觸點常開端。

圖1 單穩態繼電器工作原理和接線圖

1.2 機械參數、電氣參數和觸點對比

實際測量了繼電器的觸點材料的主要成分、觸點直徑、接觸電阻、吸合和釋放時間等機械參數和電氣參數，列于表1。觸點材料作為核心部件，不同繼電器廠家的觸點材料成分和尺寸有一定差異，說明各廠家對觸點材料的選用存在較大的分歧。繼電器的吸合時間、釋放時間、吸合電壓、釋放電壓、線圈功率、吸合壓力、分斷力、觸點開距、超行程等參數比較接近，說明不同繼電器廠家在設計繼電器時所選用的參數和方法幾乎相同。

1.3 觸點形貌和金相

觸點的狀態受成分、加在觸點兩端的電壓和電流、負載種類、通斷頻率、環境條件、接觸形式、觸點的通斷速度等影響，繼電器在實際工作時會遇到各種條件，觸點在使用過程中可能會出現材料轉移、粘連、熔焊、接觸電阻増大等故障。5款繼電器的觸點的主要成分和直徑見表1，觸點材料主要以AgSnO2、AgSnO2In2O3、AgCdO 為主，AgCdO 具有良好的導電性、滅弧能力和抗熔焊性而得到廣泛應用，缺點是在直流負載下抗材料轉移能力較差且不環保。AgSnO2具有良好的抗電弧侵蝕能力、抗材料轉移能力以及環保而得到廣泛應用，缺點是接觸電阻較大。AgNi觸點材料抗熔焊能力相對AgSnO2和AgCdO稍差，因此，在這種大功率應用場合未見有成熟應用。5款繼電器觸點材料的形貌和金相組織見表2。從表2可見，材料的金相組織都比較均勻，動觸點形狀都是球面，靜觸點是平面或者弧度較大。

表1 5款繼電器機械和電氣參數對比

表2 觸點形貌和金相分析

1.4 電壽命比較

電壽命是小型大功率塑封繼電器最重要的性能指標，它代表繼電器能有效工作的次數，5款繼電器標稱的電壽命（動作）次數和溫升都相同，具體見圖2(a)和2(b)。繼電器在額定AC 240 V、30 A條件下標稱電壽命次數均為10萬次。

圖2 標稱電壽命和溫升

本研究使用自主研發的全自動交流繼電器試驗機進行這5款繼電器的電壽命試驗，每款繼電器試驗數量為6只，試驗時不開點氣孔，試驗前后均試水，確認繼電器不漏氣，失效判斷依據為連續2次瞬粘連或者累計6次粘連，具體試驗條件見表3，電壽命結果見表4。

表3 試驗條件

表4 電壽命試驗結果

各廠家繼電器電壽命柱狀圖見圖3，電壽命由高到低排序為：D廠家（觸點：AgSnO2）＞B廠家（觸點：AgSnO2In2O3）＞E廠家（觸點：AgCdO）＞C廠家（觸點：AgCdO）＞A廠家（觸點：AgSnO2），由此可知，不同廠家的繼電器電壽命相差大，A廠家繼電器和D廠家繼電器所選取的觸頭材料主成分相同，機械參數和電氣參數也接近，但是壽命卻相差巨大，筆者認為與觸頭材料制備工藝不同或者電器設計水平差異有關。

圖3 各廠家繼電器電壽命柱狀圖

1.5 試驗后觸點分析

試驗后觸點表面出現了不同程度的燒蝕，具體燒蝕形貌和金相見表5。由表5可知，無論是AgS-nO2觸點還是AgCdO觸點，試驗后表面均形成了白色聚集區域，筆者對白色區域進行了能譜分析，能譜分析見圖4。能譜分析表明，表面白色區域Ag含量偏高，幾乎不含SnO2或CdO，因此，動、靜觸點表面出現了Ag聚集層，該聚集層是導致繼電器失效的主要原因。Ag聚集層出現的原因有待進一步研究。

圖4 能譜分析

表5 試驗后觸點形貌和金相

2 結論

（1）市面5款30 A小型大功率塑封繼電器的機械參數和電氣參數比較接近，觸點材料成分和尺寸有一定差異，以AgSnO2、AgSnO2In2O3、AgCdO為主。

（2）5款繼電器的電壽命相差大，與觸頭材料制備工藝不同或者電器設計水平差異有關。

（3）試驗后出現了Ag聚集層，該聚集層是導致繼電器失效的主要原因。