電磁繼電器失效分析及可靠性壽命評估

王聰聰，韓曉敏，付宇寬，李志國，徐立立，楊靜

（1.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000； 2.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

電磁繼電器是一種電子控制元器件，它可以通過較小的電流、較低的電壓去控制較大的電流、較高的電壓。電磁繼電器主要由輸入回路和輸出回路兩部分組成。輸入回路一般是控制端，輸出回路是被控制端。當觸發(fā)某種機制的信號輸入到控制端時，會有電流通過電磁鐵的線圈而產生磁場，從而對銜鐵產生吸力，在銜鐵的帶動下使得被控制回路閉合，從而發(fā)出控制信號，以實現對某種系統(tǒng)的控制。

電磁繼電器在軌道交通領域是信號控制的基礎電子元器件，具有信號傳遞、系統(tǒng)配電、執(zhí)行控制等功能，因此在鐵路這種以信號控制為主的運輸工具上被廣泛應用。電磁繼電器在高鐵上應用較多，起的作用也比較繁雜，主要包括起到輸出制動信號、過分相信號、火災報警信號以及風機啟動等等[1]。電磁繼電器的關鍵部件是觸點部件，觸點可靠性直接影響到電磁繼電器的可靠性。密封電磁繼電器失效模式的統(tǒng)計數據顯示，其80 %以上失效模式是接觸部分失效[2]。一般情況下，觸點兩個接觸面之間受多種因素影響，除了觸點材料、觸點結構影響外，還受觸點電流、開路電壓、溫度的影響[3]。

截止2017年底，我國鐵路營業(yè)里程達到12.7萬km，其中高鐵2.5萬km。動車組列車的大規(guī)模運行，對列車的運行安全也提出了越來越高的要求。繼電器接觸電阻超差到一定程度，將會導致某些命令或信號傳輸不到位，這種故障將會影響到列車正常運行，甚至會引發(fā)嚴重的事故。因此，對應用于高速列車的繼電器進行可靠性研究，評估繼電器的預期壽命，為檢測、維護提供依據[4]。

本文對列車上實際使用發(fā)生失效的繼電器進行宏觀及微觀的分析，確定其失效模式及其失效的機理。同時按照《有可靠性指標的電磁繼電器評估規(guī)范》[5]對繼電器進行可靠性評估，可靠性試驗過程中定期檢測樣品的各項電性能參數，評估各電性能參數的變化情況，確定繼電器的可靠性等級，同時在各個參數的合理使用范圍內，評估繼電器的剩余使用壽命。

1 研究對象介紹與分析

本文研究對象為西門子3TH系列的中間繼電器，采用E型鐵心、雙斷點橋式觸頭系統(tǒng)的直動式運動結構，有八對觸頭可組合。觸頭材料由電性能優(yōu)越的銀合金制成，具有使用壽命長及良好的接觸可靠性。滅弧室均呈封閉型，并由阻燃材料阻擋電弧向外噴射。

電磁繼電器電性能參數見表1。

表1 繼電器主要參數

繼電器工作過程：線圈不得電的時候，繼電器內部的動觸點在彈簧的拉力作用下與靜合靜觸點接觸，與動合靜觸點斷開；當某一時刻線圈通電時，繼電器驅動回路導通，線圈產生電磁吸力，銜鐵克服彈力被鐵芯吸合，動觸點隨銜鐵往下運動，使動觸點與原來不接觸的動合靜觸點閉合，完成吸合過程；當線圈掉電時，銜鐵在彈簧的作用下，使其恢復常態(tài)。

2 繼電器失效分析

動車車載繼電器一旦發(fā)生故障，將會導致列車的某些控制信號不能發(fā)送或發(fā)送出錯，給列車的運行帶來極大的安全隱患。分析實際使用繼電器的失效原因，動車的安全運行具有重要意義，本文對列車用3TH系列繼電器進行失效分析，分析其失效的根本原因。

2.1 失效分析步驟

繼電器的失效分析主要從宏觀及微觀兩個大的方面開始。宏觀方面，主要從產品的外觀、結構、電性能參數等測試進行初始的評價；微觀方面。主要是將新品和故障繼電器進行解剖，進行電子顯微鏡以及SEM能譜分析，分析新品與故障品之間的區(qū)別[6]。最后，結合實際的工作環(huán)境、使用工況以及宏觀和微觀的檢測結果進行綜合的分析，確定故障繼電器的失效機理，分析流程見圖1。

圖1 失效分析流程

2.2 失效樣品宏觀分析

本次選取3件實際使用的樣品進行分析，分別對外觀、內部結構、電性能進行檢測，外觀及內部結構無異常，繼電器的吸合時間、釋放時間、吸合電壓及釋放電壓等電特性均在產品要求范圍內，但有2件樣品的接觸電阻超標（＞0.5 Ω）。外觀及內部結構見圖2，電性能（不含接觸電阻）測試見表2，接觸電阻見表3。

表2 電性能參數（不含接觸電阻）

表3 電性能參數（接觸電阻）

圖2 樣品的外觀及內部結構

2.3 失效樣品微觀分析

通過對三件樣品進行外觀、結構以及電性能測試，發(fā)現其中有2件樣品的接觸電阻不符合實際的使用要求，但吸合與釋放時間、吸合與釋放電壓均在產品規(guī)格范圍內，因此需要對接觸電阻區(qū)域進行電鏡檢測，檢測觸點的形貌以及成分的變化情況。本文選擇失效品3TH4262-05#樣品接觸電阻OPEN的通道、3TH4262-01#樣品接觸電阻220 Ω通道、3TH4244-01樣品接觸電阻為2 Ω通道，未失效樣品3TH4244-22#樣品接觸電阻為0.3 Ω通道，四個通道的微觀形貌見圖3，成分分析見圖4。

圖3 分析樣品通道微觀相貌

圖4 分析樣品通道成分分析

通過上述觀察，220 Ω接觸點的接觸區(qū)域不集中，處于分散的狀態(tài)，這將導致動、靜觸片接觸時，不會充分接觸，導致接觸電阻偏大；OPEN狀態(tài)靜觸點表面沒有清晰的接觸區(qū)，有較明顯的附著物附在接觸區(qū)域，使動、靜觸點不能良好的接觸，導致接觸電阻呈現OPEN狀態(tài)；常閉觸點2 Ω觸點表面附著物較稀疏，接觸區(qū)色澤比較明亮，因此其接觸電阻很小；未失效品常開通道電阻為0.3 Ω靜觸點接觸區(qū)域面積較大，摩擦痕跡明顯，雖然接觸區(qū)域周圍存在明顯的附著物，但不影響接觸。

對比通道接觸電阻OPEN與通道電阻0.3 Ω二者的成分無很大差別，主要成分都是Ag，同時還有Pa、C、O、S、Cu等元素。觸片除了有Ag、Pa、Cu等金屬元素外，還存在C、O等非基體材料元素，說明基材材料有氧化和碳化的現象。繼電器是一種經常吸合與斷開的器件，觸點在閉合或斷開的瞬間，全部的能量集中釋放在最后離開的那個微小區(qū)域，使其周圍的溫度迅速上升到金屬的沸點，在這樣的高溫條件下，會發(fā)生氧化[7]。如果此時流經觸點的電流超過觸點材料的燃弧電流，觸點間隙會形成拉弧，會將觸點表面形成燒蝕[8]。繼電器長時間經歷這種動作，最終導致接觸電阻增加，接觸失效。

3 可靠性壽命評估

通過對實際使用繼電器的失效分析，發(fā)現繼電器主要是工作過程中，電弧導致的觸點電弧侵蝕是引起電磁繼電器接觸性能變化的原因。電磁繼電器是一種長壽命產品，不同類型的電磁繼電器有其不同的使用壽命，本文中3TH系列繼電器的電壽命為1.2×106次。高鐵 動車等高速軌道交通自投入運營已經超過10年，每年都會投入大量的維修及更換設備的費用，為降低運維費用，同時不降低可靠性及安全性，需要對相關設備進行可靠性評估。

3.1 評估方案

依據《有可靠性指標的電磁繼電器評估規(guī)范》[5]對繼電器進行可靠性評估，可靠性試驗過程中定期檢測樣品的各項電性能參數，評估各電性能參數的變化情況，確定繼電器的可靠性等級，同時在各個參數的合理使用范圍內，評估繼電器的剩余使用壽命。

根據GB/T 15510《控制用電磁繼電器可靠性試驗通則》標準規(guī)定，同時根據繼電器的規(guī)格書，繼電器允許的每小時吸合斷開次數為1000次，同時根據標準GBT 15510，級別為L、允許失效數Ac=1的總試驗次數為20.2×106，同時為減少試驗時間，進行測試的樣品為22件，根據可靠性理論，則每個繼電器的試驗電壽命次數（吸合斷開）次數為：

根據實際可操作性且每小時吸合與斷開不超過1000次，實際采用吸合2 s、斷開2 s，則1 h的吸合與斷開次數為900次。

則試驗時間為：Td=ns/900/24 h = 42.5天 （2）

將所有參試樣品按照實際工作的時候通電、連接負載，保證線圈、觸點均通137.5 V電壓，接通負載保證通過觸點的電流為實際工作時的所測最大電流240 mA，通電后開始可靠性試驗，按照吸合2 s、斷開2 s為完成一次吸合與斷開試驗。試驗溫度依據GB/T 15510，選擇試驗溫度為30 ℃。試驗過程中，定期檢查外觀、接觸電阻、吸合與斷開時間、吸合與釋放電壓，確定各個性能參數是否有變化趨勢。

試驗實施見圖5 。

圖5 可靠性試驗實施圖

3.2 試驗過程中性能參數變化

試驗過程中，繼電器的吸合時間與釋放時間、吸合電壓與釋放電壓幾乎無變化，接觸電阻隨著試驗時間的增長，呈現逐漸上升的趨勢。各個通道的吸合時間及釋放時間、吸合電壓及釋放電壓未有明顯的變化趨勢，而各個通道的接觸電阻隨時間有顯著變化，詳細見表4。

可靠性鑒定試驗后，所有通道的吸合時間的最大值小于產品規(guī)范規(guī)定的常開與常閉的最小門限值42 ms；所有通道的釋放時間的最大值小于產品規(guī)范規(guī)定的常開和常閉的最小門限值40 ms；所有通道的吸合電壓和釋放電壓均小于產品規(guī)范規(guī)定。

可靠性鑒定試驗后，繼電器的常閉通道接觸電阻是呈現逐漸增大趨勢的，對所有試驗繼電器的接觸電阻按照每個時間點取平均值，則每個檢測時間點的均值如表4。試驗后接觸電阻小于0.5 Ω，仍在設備可用范圍內。因此，需要對接觸電阻退化到0.5 Ω進行擬合，確定實際的可用時間。

表4 接觸電阻與時間關系

3.3 接觸電阻退化評估

繼電器的接觸電阻是呈現增大的趨勢，因此使用Matlab對試驗數據進行擬合，接觸電阻隨時間變化的方程為公式（1），擬合曲線見圖6；其中，擬合方程相關系數R2值為0.9846，接近于1，說明擬合程度非常好。

圖6 繼電器接觸電阻退化趨勢

根據實際使用的接觸電阻要求，當接觸電阻退化到0.5 Ω，即不滿足使用要求。因此，以接觸電阻退化到0.5 Ω為失效閾值求解方程（1），利用Matlab “fzero(＠(x)149.8*exp(0.0007273*x)+0.0000837*exp (0.02391*x)-500,0)” 求解方程（1）得出接觸電阻退化到0.5 Ω的時間為625 h，按照可靠性評估方案，則試驗至625 h時，繼電器的動作次數為562500。

3.4 繼電器預估壽命

本項目所選擇繼電器為京廣線列車上使用的過分相類型繼電器，此線路上過分相為25 km執(zhí)行一次，線路里程為2300 km，則列車單程繼電器要動作92次。按照列車一年運營365天，根據可靠性評估結果，繼電器的預期壽命為：

4 結論

1）經過分析，失效接觸器的失效原因為動觸點與靜觸點接觸不良。接觸不良的前提是長期使用的接觸器觸點表面生成氧化物和硫化物，形成阻擋層，電接觸可以燒穿一定厚度的阻擋層，阻擋層厚度增大到不能電燒穿時，觸點還可以通過摩擦破壞阻擋層形成接觸，但是觸點摩擦力較小，在其偏差范圍內存在摩擦力不足，僅保持接觸而不足以破壞阻擋層，導致接觸不良。

2）通過對繼電器進行可靠性測試，根據繼電器接觸的退化趨勢以及實際可使用的失效閾值，繼電器預期壽命為16.75年。按照動車組運行480萬公里或12年即更換的要求，繼電器仍可繼續(xù)使用4.75年，可以達到延壽的預期要求。