電磁繼電器導通失效模式與機理分析

范士海，譚士海

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電磁繼電器是一種自動控制機電元件，它的工作原理是：用電磁開關控制，通過機械動作使導體之間完成彼此接觸或斷開的轉換，使接觸導體具有通斷電流的能力。由于電磁繼電器是具有電磁和機械可動系統的機電一體化元件，加之生產過程中大部分裝配調整是手工操作，影響其可靠性的因素較多，與其它電子元器件相比，批一致性和可靠性相對較低，屬于可靠性較差的元器件[1,2]。有資料介紹[3]：上世紀70年代，日本發射的第一顆科學衛星，用了1 400個元器件，其中繼電器占0.9 %，但其失效數占到了總元器件失效的1.4 %。所以電磁繼電器屬失效率很高的一類元器件。

在眾多電磁繼電器的失效模式中，導通失效占比較大，占到失效總數的40 %以上。導通失效包括接觸電阻增大，接觸電阻增大且不穩定，閉合觸點瞬時斷開或（長時間）斷開等模式。另外，導通失效還包括斷開觸點異常導通的失效模式。

下面通過一些典型的導通失效案例詳細介紹，分析引起各種導通失效模式的失效機理。為進一步提高電磁繼電器使用可靠性提供有益的依據。

1 電磁繼電器的導通失效模式與機理

1.1 接觸電阻變大

閉合觸點的接觸電阻變大是電磁繼電器一種常見的失效模式。對于一個合格電磁繼電器，通常要求其接觸電阻小于50 mΩ。發生失效后，其接觸電阻可能變為幾百毫歐，直至歐姆量級。

1.1.1 案例1

某型號電磁繼電器在整機調試中出現一只失效，失效模式為觸點接觸電阻變大。該型號繼電器有三組主轉換觸點：第一組1、2常開觸點；第二組3、4常開觸點；第三組5、6常開觸點。對該失效繼電器進行常溫電性能測試，結果為第二組3、4觸點之間接觸電阻超差，阻值約為200 mΩ，而標稱值為≤50 mΩ。

采用機械方法將繼電器啟封，在體視鏡下進行觀察，常開觸點3、4表面存在明顯的燒蝕熔融現象，該組觸點周圍部件發黑，如圖1所示。常開觸點1、2表面也存在燒蝕熔融現象，但燒蝕程度比3、4觸點輕，如圖2所示。另一組常開觸點未發現明顯異常；繼電器銜鐵、線包等內部結構未發現異常，繼電器內部也未發現可導致繼電器失效的多余物。

圖1 常開觸點3、4表面燒蝕熔融現象

圖2 常開觸點1、2表面燒蝕熔融現象

根據以上的觀察，分析得出，該繼電器失效是由于常開主觸點3、4受到異常大電流的沖擊作用，造成該組常開觸點嚴重燒蝕，觸點的表面狀態發生了變化，造成該組主觸點間接觸電阻增大。

1.1.2 案例2

整機單位產品調試時發現1只某型號電磁繼電器一組常開觸點接觸電阻偏大。常溫下，按照廠家手冊對該繼電器進行常溫電性能測試，結果為：產品吸合電壓、釋放電壓、線圈電阻、絕緣電阻均合格，但發現一組常開觸點接觸電阻偏大（111.8 mΩ，標稱值為≤50 mΩ），故障復現。具體測試結果見表1。

表1 繼電器常溫電性能測試結果

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測合格。開封后檢查繼電器內部，線包、銜鐵、軛鐵、推動桿、簧片等內部結構未見明顯異常。觸點表面未見明顯拉弧打火、燒蝕現象；但可見失效的一組常開動、靜簧片間存在有機多余物堆積，常閉觸點上端也有少量有機多余物，如圖3所示。

圖3 一組常開、常閉觸點處存在有機物形貌

根據以上的觀察，分析得出，該繼電器常開觸點接觸電阻偏大是由于該組常開動、靜簧片間存在有機多余物堆積所致。

1.2 接觸電阻增大且不穩定

導通失效的另一種失效模式是接觸電阻增大且不穩定。包括兩種情況：一種情況是失效繼電器導通電阻有時大于標稱值，有時小于標稱值，即在標稱值上下波動；另一種情況是接觸電阻始終大于標稱值，但每次測試都不一致。

1.2.1 案例3

整機單位在進行試驗時，發現1只某型號電磁繼電器失效，現象為一路觸點導通后導通電阻變大且不穩定。

根據委托方的介紹，失效繼電器為圖4中兩個圈注處所指示的管腳間導通電阻變大。常溫下，對繼電器出現失效的兩個管腳間的導通電阻進行多次測試，結果為：每次測量結果不同，導通電阻大部分測量值在23~45 mΩ范圍內，偶爾會出現60~70 mΩ的情況（標稱值為≤50 mΩ）。

圖4 繼電器外觀形貌

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測合格。開封后檢查內部結構未見明顯異常。發生失效的內部觸點未發現存在明顯的燒蝕、打火等異常現象。用掃描電子顯微鏡對繼電器出現失效的觸點表面進行形貌觀察，除接觸部位有磨損痕跡外，其它未見明顯異常。

進一步對繼電器失效觸點表面進行能譜（EDX）分析，結果為：繼電器靜觸點表面除Au、Ni等元素外，還有C、O元素，說明存在有機物沾污（如圖5所示）。根據以上的檢測與觀察，分析得出：繼電器失效是由于相關觸點表面存在有機物沾污，使得觸點接觸電阻增大引起的。

圖5 繼電器靜觸點表面EDX圖像

1.3 閉合觸點瞬斷或常斷

繼電器導通電阻失效的第三種失效模式為閉合觸點完全斷開。包括兩種情況：瞬時斷開或長時間斷開；下面介紹的失效案例即屬于此種情況。

1.3.1 案例4

整機單位使用時發現一只某型號電磁繼電器存在瞬斷現象。根據廠家手冊，對失效電磁繼電器進行常溫電性能測試，結果為合格。

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常，PIND及氣密性檢測合格。開封后觀察兩組常開觸點、常閉觸點，對應的動、靜觸點未見明顯拉弧、燒蝕現象；動、靜簧片未見明顯松動現象；銜鐵軸未見明顯彎曲變形痕跡，對中未見明顯異常；但可見失效電磁繼電器銜鐵間隙內、殼體內有白色透明及黃色（似松香類）有機類多余物（如圖6所示）。

圖6 繼電器內部多余物形貌

進一步對繼電器內部白色多余物、黃色多余物進行掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析，結果為：白色多余物成分主要含有C、O、S、Cl、Ca元素，黃色多余物成分主要含有C、O元素。

根據以上的檢測結果，分析認為：該電磁繼電器失效是由于內部存在非金屬活動多余物導致其瞬時斷路所致。

1.3.2 案例5

某型號電磁繼電器在整機進行搖擺試驗時，發現其中一組常閉觸點斷開。根據廠家手冊，用萬用表對管腳間進行通斷測試。發現一組常閉觸點為開路狀態。繼電器外觀檢查未見明顯異常。采用粒子碰撞噪聲檢測儀（PIND），對失效電磁繼電器進行臥向多余物檢測，發現存在粒子噪聲或其它異常現象，檢測結果為不合格。對失效電磁繼電器進行氣密性檢測（粗檢和細檢），檢測結果為合格。對繼電器進行X射線及CT檢查，發現：繼電器內部一組常閉觸點存在未閉合、有間隙現象，另一組常閉觸點正常閉合；同時常開觸點未見明顯異常（如圖7所示）。

圖7 失效繼電器X射線檢查圖像

啟封繼電器，在體視鏡下進行觀察，發現失效常閉觸點已表現為閉合狀態，另一組常閉觸點為正常閉合狀態；兩組常開觸點為正常開路狀態；分別對兩組常開觸點、常閉觸點對應的動、靜簧片觀察，未見明顯拉弧、燒蝕痕跡；但發現其中曾開路的一組常閉觸點靜簧片的一側存在一個呈三角形狀、灰黑色的有機類多余物，且靜簧片接觸表面有灰色有機類物質殘留（如圖8、9所示）。

圖8 失效常閉觸點靜簧片一側多余物

根據以上的檢測結果，分析得出：該電磁繼電器失效是由于一組常閉觸點動、靜簧片間及其附近存在非金屬（有機類）多余物，形成絕緣層，使常閉觸點無法正常導通所致。

圖9 靜簧片內表面有機類物殘留形貌

1.4 斷開觸點異常導通

以上介紹的案例均為閉合觸點接觸電阻變大（包括開路）情況，下面介紹的案例屬于另一類導通失效情況，即斷開觸點異常導通。與接觸電阻變大情況相比，出現這種失效模式的概率較低。

1.4.1 案例6

某型號電磁繼電器在整機做隨機振動試驗監測時，發生繼電器常開觸點閉合，繼續進行隨機振動常開觸點功能恢復。

對該失效繼電器進行常溫電性能測試，結果為電性能參數均符合廠家手冊要求。用粒子碰撞噪聲檢測系統對失效繼電器進行粒子碰撞噪聲檢測，發現存在除背景噪聲之外的噪聲信號。用真空檢漏設備對失效繼電器進行密封（細檢、粗檢）檢查，未發現明顯異常。用微焦點X射線儀檢查繼電器內部結構，未見明顯異常。

用機械方法啟封繼電器發現：在管殼內、線包、常開觸點及常閉觸點附近區域均存在可動的顆粒狀松香多余物，如圖10和圖11所示。

圖10 繼電器管殼內部松香形貌

圖11 常開觸點及常閉觸點區域松香形貌

鑒于繼電器管殼內、線包、常開觸點及常閉觸點附近區域均存在大量可動的顆粒狀松香多余物，由于繼電器內部各部件之間的間隙很小，如果顆粒狀多余物剛好處于某部位，使動簧片處于常開觸點吸合狀態，則導致其在進行隨機振動試驗監測時瞬態常開觸點閉合，繼續進行隨機振動多余物位置發生變化，常開觸點則恢復斷開狀態。

2 結束語

歸納起來，導致電磁繼電器導通失效的機理包括兩大方面：一是觸點表面狀態發生了化學或物理變化，如燒蝕氧化或接觸面變為凹凸不平等；二是繼電器內部存在多余物，如觸點表面附著有機物，或者不導電的活動多余物夾在閉合觸點之間，造成接觸電阻增大或完全開路。由于繼電器內部動作部件之間的間隙很小，尺寸極小的多余物即有可能引起繼電器失效。而且多余物引起繼電器失效具有偶發、復雜、難于復現的特點，需給予特別的關注。